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JORNADA TÉCNICA SEMR 2015
LA MECÁNICA DE ROCAS
EN EL EUROCÓDIGO 7 Y
OTRAS NORMATIVAS
Con la colaboración de:
JORNADA TÉCNICA
SEMR 2015
La Mecánica de Rocas en el
Eurocódigo 7 y otras
normativas
15 de abril de 2015
PRESENTACIÓN
La Sociedad Española de Mecánica de Rocas (SEMR) organiza un
año más su Jornada Técnica anual, conjuntamente con el Centro
de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX).
En la última década se ha realizado en España un gran esfuerzo
normativo en el ámbito de la ingeniería geotécnica que dio lugar
a la publicación de la Guía de Cimentaciones de Obras de
Carreteras (2003), la parte geotécnica de las Recomendaciones
para Obras Marítimas 0.5-05 (2005) y la parte referida a las
cimentaciones del Código Técnico de la Edificación. De forma
simultánea, en Europa se publicó en 2004 el Eurocódigo 7
“Proyecto Geotécnico” (EC-7) que se ha ido utilizando
paulatinamente en los diferentes países europeos.
Actualmente, está a punto de empezar el proceso para la
elaboración de la segunda generación de Eurocódigos para lo
cual el comité responsable del EC-7 ha creado varios grupos de
trabajo entre los que destaca, en este ámbito, uno dedicado a la
Mecánica de Rocas, apoyado también por la ISRM. El objetivo
del grupo es determinar los aspectos de la Ingeniería de Rocas
susceptibles de ser incluidos en el nuevo Eurocódigo EC-7.
En este contexto, la SEMR ha considerado interesante dedicar la
Jornada Técnica de este año a realizar un análisis de los aspectos
dedicados a la Mecánica de Rocas en dichos documentos
normativos, para lo cual se contará con la presencia de
destacados profesionales con amplia experiencia en estos
temas.
Por último, se debe destacar que durante la celebración de la
Jornada se nombrará Socio de Honor de la SEMR a D. Luis
González de Vallejo, por sus destacadas aportaciones a la
Mecánica de Rocas.
Asimismo, se realizará entrega de la 6º edición del Premio al
mejor trabajo en Mecánica de Rocas para jóvenes
investigadores.
PROGRAMA
8,30 - 9,00
Inscripciones y documentación
9,00 - 9,15
Presentación de la Jornada
D. Mariano Navas Gutiérrez
Director del CEDEX
D. Fernando Pardo de Santayana
Director del Laboratorio de
Geotecnia del CEDEX
9,15 - 10.00
Algunos aspectos relacionados con la mecánica de rocas en los documentos
normativos geotécnicos españoles y en el Eurocódigo 7
D. José Estaire Gepp
Laboratorio de Geotecnia (CEDEX). Universidad Politécnica de Madrid
Secretario del Subcomité español del EC-7
10,00 - 10,45
Los valores característicos de los parámetros geotécnicos de las rocas.
D. Alberto Bernal Riosalido
ByA Estudio de Ingeniería S.L.
Universidad Politécnica de Madrid
10,45 - 11,00
Entrega de placa de Socio de Honor de la SEMR al profesor
D. Luis González de Vallejo.
11,00-11,25
Pausa, café
11,25-11,45
Entrega del 6º Premio al mejor trabajo de investigación en Mecánica de
Rocas para jóvenes. Breve exposición del mismo.
11,45 -12,30
Current issues concerning application of Eurocode 7 to rock engineering
Dr. Luís Lamas
Jefe del Área de Modelación y Mecánica de
Rocas. Laboratório Nacional
Ingeniería Civil (LNEC), Lisboa
Secretario General de la ISRM
12,30 - 13,30
Eurocode 7 and rock engineering: problems and opportunities
Professor John Harrison
Keck Chair of Engineering Rock Mechanics. Toronto University.
Presidente del grupo de trabajo del EC-7 relativo a la Mecánica de Rocas
13,30 -14,00
Mesa Redonda y Clausura
Coordinadores:
D. Áurea Perucho
Laboratorio de Geotecnia del CEDEX
D. Javier González-Gallego
Laboratorio de Geotecnia del CEDEX
de
ÍNDICE DE PONENCIAS
“Algunos aspectos relacionados con la mecánica de rocas en los documentos
normativos geotécnicos españoles y en el Eurocódigo 7”
D. José Estaire Gepp
Laboratorio de Geotecnia (CEDEX). Universidad Politécnica de Madrid
Secretario del Subcomité español del EC-7
“Los valores característicos de los parámetros geotécnicos de las rocas”
D. Alberto Bernal Riosalido
ByA Estudio de Ingeniería S.L.
Universidad Politécnica de Madrid
“Current issues concerning application of Eurocode 7 to rock engineering”
Dr. Luís Lamas
Jefe del Área de Modelación y Mecánica de
Rocas. Laboratório Nacional de Ingeniería Civil
(LNEC), Lisboa
Secretario General de la ISRM
“Eurocode 7 and rock engineering: problems and opportunities”
Professor John Harrison
Keck Chair of Engineering Rock Mechanics. Toronto University.
Presidente del grupo de trabajo del EC-7 relativo a la Mecánica de Rocas
SEMR
JORNADA TÉCNICA 2015
EL EUROCÓDIGO 7 Y OTRAS NORMATIVAS
Algunos aspectos relacionados con la mecánica de rocas en
los documentos normativos geotécnicos españoles y en el
Eurocódigo 7
D. José Estaire Gepp
Laboratorio de Geotecnia (CEDEX).
Universidad Politécnica de Madrid
Secretario del Subcomité español del EC-7
ALGUNOS ASPECTOS RELACIONADOS CON LA
MECÁNICA DE ROCAS EN LOS DOCUMENTOS
NORMATIVOS GEOTÉCNICOS ESPAÑOLES Y EN EL
EUROCÓDIGO 7
José Estaire y Áurea Perucho
Laboratorio de Geotecnia – CEDEX
1. INTRODUCCIÓN: DOCUMENTOS NORMATIVOS DE ÍNDOLE GEOTÉCNICA
VIGENTES EN ESPAÑA
En España existen actualmente tres documentos normativos de índole
geotécnico:

Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (GCOC), de aplicación
en el ámbito de carreteras, aprobado en 2003 por la Dirección General
de Carreteras del Ministerio de Fomento.

Recomendaciones
para
Obras
Marítimas
0.5-05
(ROM),
“Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias”,
aprobado en 2005 por el ente Puertos del Estado, dependiente del
Ministerio de Fomento.

Documento Básico SE-C del Código Técnico de la Edificación
“Seguridad estructural. Cimientos” (CTE), de aplicación en la edificación,
aprobado en 2006 por el entonces Ministerio de la Vivienda.
Como es sabido, aunque únicamente el CTE es de obligado cumplimiento, los
otros dos documentos son ampliamente utilizados en sus respectivos ámbitos.
Adicionalmente, España ha adoptado asimismo el marco normativo de los
Eurocódigos, dentro de los cuales el EN-1997, conocido como “Eurocódigo 7”
(EC-7), hace referencia al proyecto geotécnico. Esta norma consta de dos
partes, la primera de las cuales –“General rules”- fue aprobada en 2004 y la
segunda –“Ground investigation and testing”- en 2007. Para la implementación
de esta norma en los diferentes países ha sido preciso que cada uno de ellos
redacte un Anejo Nacional en el que se definen y concretan una serie de
aspectos y parámetros que el EC-7 deja abiertos para que cada país escoja los
que se consideren más convenientes, en función de la forma tradicional de
1
proceder o de las consideraciones que se estimen convenientes. El Anejo
español al EC-7 fue redactado a lo largo del año 2013 por un Comité con sede
en el CEDEX, al que pertenecen los autores de este artículo, y se encuentra
actualmente a la espera de la aprobación definitiva por parte de los organismos
competentes. Las bases teóricas y conceptuales de dicho Anejo se pueden
consultar en Estaire et al (2014).
No obstante, tal y como ocurre con las demás normativas europeas, el EC-7 ha
de ser sometido a revisiones periódicas y actualmente existe un mandato de la
Comisión Europea para que se estudie la evolución de los diferentes
Eurocódigos con vista a producir unas nuevas versiones de los mismos dentro
del horizonte del año 2020, que presenten una mayor armonización.
Fundamentalmente, y en concreto en el EC-7, se persigue ir reduciendo las
diferencias de cálculo reflejadas en los Anejos Nacionales de los diferentes
países, además de tender hacia diseños menos conservadores y más
económicos, y de abordar aspectos de la ingeniería del terreno poco
contemplados en la versión vigente de la norma, como es el caso de la
mecánica de rocas y de la mejora y refuerzo del terreno.
Para llevar a cabo esta evolución del EC-7 se formaron hace aproximadamente
cuatro años una serie de grupos de trabajo, denominados “Evolution Groups”
(EG) (Orr, 2012) con la misión principal de establecer objetivos claros y definir
los diferentes aspectos a considerar. Tras varios años de trabajo estos grupos
han ido reflejando sus consideraciones y conclusiones en diferentes
documentos que servirán de apoyo al futuro grupo redactor de la nueva versión
del EC-7, a ser constituido en los primeros meses del año 2015.
Los autores de este artículo pertenecen a varios de los mencionados “Evolution
Groups”, uno de los cuales es el “EG-13, Rock Mechanics”, encargado de
poner de manifiesto las carencias existentes relativas a la mecánica de rocas
en la actual versión del EC-7, así como de realizar las propuestas que se
consideren adecuadas para futuras versiones de la normativa.
Por otra parte, en el último congreso europeo de la ISRM, Eurock 2014, que
tuvo lugar en Vigo en mayo de 2014, se celebró un seminario sobre la
aplicabilidad del EC-7 al diseño en ingeniería de rocas (Workshop Eurock
2014), en el que se presentaron artículos relacionados con diversos temas de
relevancia en la mecánica de rocas y sus problemas y dificultades en relación a
2
la forma de abordarlos tanto en la versión vigente como en futuras versiones
del EC-7. Se puso de manifiesto que las principales dificultades a la hora de
abordar los problemas relacionados con la mecánica de rocas en el EC-7, o en
cualquier otra normativa, están relacionadas con el hecho de que el macizo
rocoso es un medio discontinuo, anisótropo y heterogéneo, a diferencia de la
mayoría de los suelos que, en general, pueden ser considerados medios
continuos, isótropos y homogéneos, aunque estrictamente tampoco lo sean.
Harrison (2014) presenta una interesante recopilación y reflexión acerca de
este tema.
Teniendo en cuenta estos antecedentes, en este artículo se realiza un análisis
comparativo de los principales aspectos contemplados en los distintos
documentos normativos vigentes en España, relativos a la mecánica de rocas,
poniendo de manifiesto similitudes y diferencias, así como algunas reflexiones
y propuestas tentativas, con el objetivo de tratar de buscar elementos que
puedan ayudar a enfocar y a definir aspectos relacionados con la mecánica de
rocas en futuras versiones de la normativa europea. Este texto se ha centrado
exclusivamente en la forma de abordar la estimación de las cargas admisibles
de cimentaciones superficiales y profundas. Muchos de estos aspectos han
sido recogidos anteriormente en Perucho y Estaire (2014).
2. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS PRINCIPALES ASPECTOS RELATIVOS A
LAS CIMENTACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS
2.1.
Aplicabilidad de los métodos de cálculo de suelos
Cabe resaltar que los tres documentos indican que la roca se puede considerar
como un suelo en ciertos casos, aunque cada uno de ellos adopta un criterio
diferente para ello, como se recoge en la Tabla I.
3
Tabla I. Criterios empleados para considerar el macizo rocoso como un
suelo
Parámetro
CTE
GCOC
ROM
Grado de alteración
> IV
≥ IV
≥ IV
Resistencia a compression simple
UCS (MPa)
< 2,5
<1
---
Espaciamiento de juntas (cm)
---
---
< 10 cm
RQD (%)
< 25
< 10
< 10
Nota: Es suficiente con que se cumpla uno de los criterios
Como se puede apreciar los tres están de acuerdo en considerar el macizo
rocoso como un suelo para grados de alteración superiores a III, pero mientras
la GCOC y la ROM consideran suelo para valores del RQD inferiores al 10%, el
CTE lo hace cuando dicho valor es inferior al 25%. Por otra parte, en relación a
la resistencia a compresión simple el CTE pone el límite en 2,5 MPa mientras
que la GCOC lo pone en 1 MPa y la ROM no indica ningún valor de este
parámetro, sino un espaciamiento de diaclasas inferior a 10 cm, que los otros
dos documentos no consideran.
2.2.
Capacidad portante de las cimentaciones superficiales y profundas
en roca
En la Tabla II se indican las expresiones utilizadas para la determinación de la
capacidad portante de las cimentaciones superficiales en roca y se resumen los
principales aspectos contemplados en los tres documentos normativos.
4
CTE
ROM
GCOC
Documento
K sp 
s
B
10 1  300
3
a
s
q a  K spUCS
FS= 2,8 (permanente); 2,3 (fundamental);
2,1 (accidental)
fD = (1,1-tg) < 1
3
fA= 1 (WD=I); 0,7 (WD=II); 0,5 (WD=III)
𝑞𝑎 =
𝑞𝑢𝑙𝑡 3𝑓𝐷 𝑓𝐴 𝑓𝛿 √𝑝𝑟 𝑈𝐶𝑆
=
𝐹𝑆
𝐹𝑆
pr = 1 MPa (presión de referencia)
𝐵 𝑅𝑄𝐷⁄
fD=min(2√𝑠⁄𝐵∗ ≤1; 0,2√ 0
𝐵 ∗ <1)
𝑅𝑄𝐷⁄
3 = min (√𝑠⁄1𝑚, √
100)
3
4 = (1,1-tg) (4=1 si tg>0,10)
2= 1 (WD=I); 0,7 (WD=II); 0,5 (WD=III)
pr = 1 MPa (presión de referencia)
10q t
1 
UCS
qa  1 23 4 prUCS
Capacidad portante en roca, qa
-UCS: resistencia a compresión simple.
-s: separación de diaclasas (s > 300 mm).
-B: ancho de zapata en m (0,05 < s/B<2).
-a: apertura de diaclasas (a<25mm;
0<a/s<0,02).
-UCS: resistencia a compresión simple.
-s: separación de diaclasas.
-B*: ancho de zapata.
-WD: grado de alteración.
-RQD: rock quality design.
-: inclinación de la carga.
-UCS: resistencia a compresión simple.
-qt: resistencia a tracción simple.
-s: separación de diaclasas.
-WD: grado de alteración.
-RQD: rock quality design.
-: inclinación de la carga.
Depende de
5
-Incluye un FS=3.
-No limita el valor máximo.
-Terreno horizontal (no indica pendiente máx.).
-Inclinación de carga < 10%.
-Estratos horizontales o sub-horizontales.
-Cuando la cimentación superficial se encuentra en roca
puede haber problemas debido a la estructura de la
misma, a la orientación de las juntas, a la anisotropía
del macizo, etc. En esos casos, ilustrados en la Figura 1
se debe realizar un análisis específico.
-qult < 15 MPa salvo justificación.
-Terreno horizontal (pendiente <10%).
2.
-Área de cimentación < 100 m
-Si está cerca de un talud se debe estudiar la estabilidad
global.
-qa < 5 MPa salvo justificación.
-Terreno horizontal (pendiente <10%).
2
-Área de cimentación < 100 m .
-Gradientes de agua < 2,2.
Observaciones
Tabla II. Capacidad portante de una cimentación superficial en roca. Resumen de principales aspectos contemplados en
los tres documentos normativos
Un análisis de las expresiones para la determinación de la capacidad portante
de las cimentaciones superficiales en roca permite realizar las siguientes
consideraciones:
a.- De carácter general

Las expresiones del CTE y de la GCOC están escritas en términos de
carga admisible mientras que la de la ROM corresponde a una carga de
hundimiento a la que hay que aplicar un factor de seguridad.

La expresión del CTE coincide exactamente con la incluida en el
Canadian Foundation Engineering Manual (2006).

Las expresiones del GCOC y la ROM son bastante similares entre sí ya
que muchos de los factores intervinientes son muy parecidos e incluso
los mismos.
b.- Sobre los factores intervinientes

Todas las expresiones dependen de la resistencia a compresión simple,
aunque varía el exponente al que está elevado: en el CTE, el exponente
es 1, es decir, tiene una dependencia lineal, y en la GCOC y ROM el
exponente es 0,5, es decir, depende de la raíz cuadrada.

El otro parámetro que aparece en los tres documentos es la separación
de las diaclasas.

En la expresión del CTE aparece también la apertura de las diaclasas y
el ancho de la zapata. Este último se considera en la ROM, pero no en la
GCOC.

Por su parte, las expresiones de la GCOC y ROM dependen del grado
de alteración de la roca, el RQD (como medida de la separación de
diaclasas) y la inclinación de la carga.
c.- De carácter adicional

Asimismo, hay una gran diferencia en los límites que se indican para
esta capacidad portante: el CTE no indica ninguno, la GCOC limita la
carga admisible a 5 MPa (salvo justificación) y la ROM limita la carga de
hundimiento a 15 MPa, con lo cual, dependiendo del factor de seguridad
utilizado, la carga admisible puede variar entre 5,3 y 7,1 MPa.

Todas las fórmulas son válidas para terreno horizontal (en la GCOC y en
la ROM se indica con pendiente inferior al 10%, en el CTE no se indica
6
ninguna pendiente) y para una inclinación de la resultante de carga
inferior al 10%. La GCOC y la ROM dan factores de corrección para
inclinaciones mayores. El CTE no los incluye, probablemente debido a
que en edificación no suelen darse inclinaciones mayores.

La GCOC y la ROM limitan el área de la cimentación a 100 m 2,
indicando que se deben hacer estudios especiales en caso de mayores
áreas.

El CTE indica que cuando la cimentación superficial se encuentra en
roca puede haber problemas debido a la estructura de la misma, a la
orientación de las juntas, a la anisotropía del macizo, etc. e indica que en
esos casos se debe realizar un análisis específico.
Por su parte, el EC-7 clasifica las rocas en cuatro grupos y proporciona un
ábaco, para cada grupo, con el que se puede estimar la carga admisible de las
cimentaciones superficiales en roca en función de la resistencia a compresión
simple de la matriz, la separación de diaclasas y del asiento permitido, (véase a
modo de ejemplo el ábaco de la Figura 1).
Figura 1. Ejemplo de ábacos recogidos en el EC-7 para la obtención de la
carga admisible de una cimentación superficial en roca (rocas de los
7
grupos 3 y 4; ds: separación de diaclasas; qu: resistencia a compresión
simple)
Se ha podido comprobar que los resultados que se obtienen de estos ábacos
responden a la siguiente expresión, en la que la capacidad portante es
directamente proporcional a la resistencia a la compresión simple y a la
separación de diaclasas (ds):
Qadm = K . ds(m).qu
El valor de K se muestra en la Tabla IV, siendo dependiente del tipo de roca en
función de la clasificación recogida en el EC-7.
Tabla IV. Parámetro de capacidad portante en función del tipo de roca
Grupo
Tipo de roca
K
1
Calizas y dolomías puras.
2,80
Areniscas carbonatadas de baja porosidad
2
Ígneas. Calizas margosas
1,40
Areniscas cementadas. Filitas carbonatadas
Rocas metmórficas, incluyendo pizarras y esquistos
3
Calizas muy margosas. Areniscas pobremente
0,70
cementadas. Argilitas y esquistos
4
Filitas y argilitas no cementadas
0,35
Además, el EC-7 realiza las siguientes indicaciones de carácter general:

En el caso de roca sana, fuerte e intacta de tipo ígneo, gneisítico, calizo
o areniscoso, la carga admisible está limitada por la resistencia a
compresión del hormigón.

Se deben considerar los siguientes aspectos: presencia de capas más
débiles, de planos de sedimentación u otras discontinuidades, así como
las características de los mismos (relleno, continuidad, anchura,
espaciado), el estado de alteración, descomposición y fracturación de la
roca, así como su posible perturbación en relación a su estado natural
por actividades constructivas cercanas.

Asimismo se debe tener en cuenta la presencia de materiales solubles,
como calizas, yesos o sales.
8
2.3.
Capacidad portante de las cimentaciones profundas en roca
En la Tablas III se indican las expresiones utilizadas para la determinación de
la capacidad portante de las cimentaciones profundas en roca y se resumen los
principales aspectos contemplados en los tres documentos normativos.
Un análisis de las expresiones para la determinación de la capacidad portante
de las cimentaciones profundas en roca permite realizar las siguientes
consideraciones:

Las expresiones de la GCOC y de la ROM están escritas en términos de
carga de hundimiento, a la que hay que aplicar un factor de seguridad,
mientras que la del CTE corresponde a una carga admisible.

Los tres documentos determinan la carga admisible o última por punta
basándose en la carga admisible (GCOC y CTE) o última (ROM) de una
cimentación superficial, por lo que son válidas las diferencias ya
señaladas anteriormente, afectando dicha carga por un factor de
empotramiento.

Los tres documentos consideran unos factores de empotramiento
similares.

Tanto la GCOC como la ROM determinan la carga última por fuste como
un porcentaje (10%) de la carga última por punta, limitando dicho valor a
2 MPa.

La expresión del CTE coincide básicamente con la incluida en el
Canadian Foundation Engineering Manual (2006).
Por su parte, el EC-7 no menciona ninguna fórmula de cálculo analítica, ya
que en las cimentaciones profundas se da prioridad al diseño basado en
ensayos estáticos de carga.
9
CTE
ROM
GCOC
Documento
𝑑𝑓 = 1 + 0,4 𝑟 ≤ 3
𝐷
𝜏𝑓𝑑 = 0,2. 𝑈𝐶𝑆 0,5
𝐿
𝑞𝑝,𝑑 = 𝑞𝑎 𝑑𝑓 = 𝐾𝑠𝑝 . 𝑈𝐶𝑆 . 𝑑𝑓
FS= 2,5 (permanente); 2,2 (fundamental); 2,0 (accidental)
𝑞𝑝 =
2
𝑞 𝑑
3 𝑢𝑙𝑡 𝑓
𝐿𝑟
𝑑𝑓 = 1 + 0,4
𝐷
𝜏𝑓 = 0,1 𝑞𝑢𝑙𝑡 < 2 MPa si WD ≤ III
𝜏𝑓 = 0 si WD > III
FS= 3 (permanente); 2,6 (característica); 2,2 (accidental)
𝑑𝑓 = 1 + 0,4 ≤ 2
𝐷
𝜏𝑓 = 0,1 𝑞𝑝 < 2 MPa si WD ≤ III; df=1 en qp
𝜏𝑓 = 0 si WD > III
10
-qp,d:carga admisible por punta, siendo qa la carga admisible de una cimentación
superficial según el CTE, definida en la Tabla II.
-f,d:carga admisible por fuste, en MPa.
-UCS: resistencia a compresión simple, en MPa.
-Lr: longitud de empotramiento en roca de igual o mejor calidad que la de la
punta.
-D: diámetro del pilote.
-qp: resistencia unitaria por punta (de hundimiento).
-f: resistencia unitaria por fuste (de hundimiento).
-qult: carga de hundimiento de una cimentación superficial (ver Tabla II).
-Lr: longitud de empotramiento en roca de igual o mejor calidad que la de la
punta (Lr ≤ 2,5D).
-D: diámetro del pilote.
-qp: resistencia unitaria por punta (de hundimiento).
-f: resistencia unitaria por fuste (de hundimiento).
qa: carga admisible de una cimentación superficial (ver Tabla II).
-Lr: longitud de empotramiento en roca de igual o mejor calidad que la de la
punta.
-D: diámetro del pilote.
𝑞𝑝 = 2𝑞𝑎 𝑑𝑓 < 20 MPa
𝐿𝑟
Depende de
Capacidad portante de un pilote en roca, qa,p
Tabla III. Carga de hundimiento de una cimentación profunda en roca. Resumen de principales aspectos contemplados en
los tres documentos normativos
3. IDEAS PARA UNA POSIBLE UNIFICACIÓN DE
RECOGIDAS EN LAS NORMATIVAS ESPAÑOLAS
LAS
EXPRESIONES
La primera cuestión que se debe suscitar es de carácter formal ya que
convendría unificar las expresiones para que todas ellas estuvieran en términos
de carga de hundimiento de tal manera que el cálculo de las cimentaciones en
roca se pareciera lo más posible a las cimentaciones en suelos.
Otra cuestión que se plantea es la de la necesidad o no de limitar el valor
máximo de la carga admisible, como se hace en la GCOC y en la ROM. A este
respecto, se considera que no parece necesario poner tales límites, ya que
existen otras limitaciones debidas a la resistencia de los propios materiales
constructivos (el punzonamiento de las cimentaciones superficiales y el “tope
estructural” de los pilotes) y puede resultar quizá excesivamente conservador
cuando se ha hecho un estudio adecuado del terreno y se dispone de un
macizo rocoso de buena calidad.
En cuanto a la forma de estimar la carga admisible, parece que su estimación
en función de la raíz cuadrada del valor de la resistencia a compresión simple
es menos común en la práctica habitual, aunque es menos conservadora en el
rango de resistencias bajas, pero más conservadora en el de presiones
elevadas, por lo que podría ser la más adecuada, eliminando los límites de
valor máximo. Soriano (2003) comenta las razones que llevaron a las
expresiones recogidas en la GCOC y la ROM.
A este respecto es muy interesante la recopilación realizada por Serrano et al
(2010) de diferentes teorías y normativas, recogida en la Figura 2, en la que se
puede apreciar que el exponente que se preconiza tiende a ser 1, aunque
también hay casos de 0,5. Serrano et al. proponen valores intermedios,
cercanos a 0,75.
11
Figura 2. Resumen de teorías y normativas sobre carga de hundimiento
en punta de pilotes
Asimismo, es necesario y conveniente señalar la primordial importancia que
puede tener la estructura del macizo en relación a las cargas aplicadas, ya que
se pueden producir mecanismos de rotura que requieran un estudio específico,
como señala el CTE y como se indica, a modo de ejemplo, en la Figura 3Figura
3, tomada de Lamas et al (2014).
12
Figura 3. Fallo de una cimentación por un mecanismo de rotura producido
por la existencia de una falla y un sistema de diaclasas (Lamas et al, 2014)
Serrano y Olalla (1998) han estudiado en profundidad la posible formación de
mecanismos de rotura en macizos diaclasados en función de la orientación y
resistencia de las diaclasas (Figura 4).
Figura 4. Posibles mecanismos de rotura en función del buzamiento de
las diaclasas (Serrano y Olalla, 1998)
13
Se considera que puede ser conveniente hacer referencia a los resultados de
este estudio, especialmente en lo que se refiere a la disminución de la carga de
hundimiento por efecto de la existencia de planos de discontinuidad con menor
resistencia que la propia roca matriz, como puede verse en la figura siguiente.
Figura 5. Reducción de la carga de hundimiento por efecto de existencia
de planos de debilidad (Serrano y Olalla, 1998)
Como puede verse en este gráfico, hay situaciones en las que la reducción de
la carga de hundimiento llega a ser del 90%.
4. BIBLIOGRAFÍA
Canadian Foundation Engineering Manual. 2006. 4th Edition. Canadial
Geotechnical Society.
Código Técnico de la Edificación.
Cimentaciones. Ministerio de Fomento.
2003.
Documento
Básico
DB-4
Estaire, J., Pardo, F. & Perucho, A. 2014. Bases del Anejo Nacional Español
del Eurocódigo EC-7 (Proyecto Geotécnico). Hormigón y Acero 271 (2014, trim.
1).
Guía de Cimentaciones de Obras de Carreteras. 2003. Ministerio de Fomento.
Harrison, J. 2014. Eurocode 7 and rock engineering: current problems and
future opportunities. Congreso europeo Eurock 2014. Vigo.
14
Lamas, L., Perucho, A. y Alejano, L. 2014. Some key issues regarding
application of Eurocode-7 to rock engineering design. Congreso europeo
Eurock 2014. Vigo.
Orr, T. 2012. How Eurocode 7 has affected geotechnical design: a review.
Geotechnical Engineering, Vol. 165, Issue GE6.
Perucho, A. y Estaire, J. The approach to rock engineering in Spanish
normative documents. Congreso europeo Eurock 2014. Vigo, mayo 2014.
Recomendaciones Geotécnicas para el Proyecto de Obras Marítimas y
Portuarias”, ROM 0.5-05. 2005. Ministerio de Fomento, Puertos del Estado.
Serrano, A. & Olalla C. 1998. Ultimate bearing capacity on an anisotropic
discontinous rock mass. Part I: Basic modes of failure. Int. J. Rock Mech. Min
Sci. 35 : 301–324.
Serrano, A. & Olalla C. 2002. Carga de hundimiento por punta de pilotes en
rocas. Monografía CEDEX.
Serrano González, A., Olalla Marañón C. y Juárez Millán, F. 2010. Cargas de
hundimiento por punta para pilotes en roca: estudio comparativo. Ingeniería
Civil 160.
Soriano, A. 2003. Point resistance of piles in rock. MS 4-Co-report. European
Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering; geotechnical
problems with man-made and man influenced grounds. Vol. 3. Praga.
Workshop Eurock 2014. Applicability and application of Eurocode-7 to rock
Engineering design. 26th May, Vigo, Spain. Chairman: J. Harrison.
15
El artículo que se recoge a continuación se presentó al congreso Eurock 2014 celebrado en
Vigo en Mayo de 2014
Spread foundations and slope stability calculations on rocks according to
Eurocode EC-7
J. Estaire & G. Olivenza
Laboratorio de Geotecnia (CEDEX). Madrid. España.
Corresponding author: [email protected]
ABSTRACT: This paper proposed a method to implement the EC-7 framework in the calculation of shallow
foundations on rock and rock slope stability problems. Previously a revision of the usual methods currently
used is made.
1 INTRODUCTION
Eurocode 7 (EC-7) is the European reference
document to design the geotechnical aspects of
building and civil engineering projects. EC-7, named
“Geotechnical design”, has two parts: Part 1
“General rules” was approved by Normalization
European Committee (CEN) in April 2004 and Part
2 “Ground investigation and testing” was approved
in January 2007.
This document deals with almost all the
geotechnical works: spread and pile foundations,
anchorages, retaining structures, embankments,
overall stability and hydraulic failures without any
distinction between soil and rocks, although the
aspects related to soils are quite more relevant. This
is the reason why the Subcommittee SC-7 of CENTC 250, responsible of writing EC-7, created a
working group devoted to emphasize the role of
Rock Mechanics inside EC-7.
The aim of this paper is to help that committee in
its task as it makes a proposal to perform the
calculation of spread foundations on rocks and the
stability analysis of rock slopes in the EC-7
framework.
2 SPREAD FOUNDATIONS ON ROCKS
2.1 Spread foundations in EC-7
According to EC-7 framework, the calculation of
any ultimate limit state basically involves the
verification of the following expression:
Ed < Rd
(1)
where Ed is the design value of the effect of actions
and Rd is the design value of the ground resistance
that depends on the ultimate limit state considered.
The design value of effect of actions (Ed) is
calculated from the characteristic values of effects of
actions, affected by the partial factor on effect of
actions (γE) whose values, proposed by EC-7, are
shown in the following table.
Table 1.Values of partial factor on the effect of actions (γE) as
proposed in EC-7
Type of actions or effect of actions
Value
Permanente
Transient
Unfavourable
1,35
Favourable
1,00
Unfavourable
1,50
Favourable
0
Taking into account these values and the fact that
in a normal structure the permanent actions are
usually about 2/3 of the total, an average value of γE
could be around 1,40. This value will be used later
The design value of the ground resistance (Rd) is
calculated from the characteristic value of the
ground resistance affected by the partial resistance
factor (γR).
Design values of soil properties involved in the
calculation of the ultimate limit state are obtained
from their characteristic values affected by the
partial factor for soil parameters (γM). It is important
to remember that EC-7 points out that 'the
characteristic value of a geotechnical parameter
shall be selected as a cautious estimate of the value
affecting the occurrence of the limit state'. [Clause
2.4.5.2.(2)].
2.2 Spread foundations on rocks according to EC-7
Clause 6.7 of EC-7 is devoted to give some
recommendations on spread foundation on rocks.
This section is quite vague as it only indicates that
calculations must consider some aspects such as the
strength and deformability of the rock mass,
presence of weak layers, characteristics of
discontinuities, weathering, decomposition and
fracturing degree of the rock and the alteration of the
natural state of the rock caused by construction
activities.
Furthermore, EC-7 specifies that 'spread foundation
on rock may normally be designed using the method
of presumed bearing pressures.' (Clause 6.7.(2)) and
recommends the method included in Annex G 'A
sample method for deriving presumed bearing
resistance for spread foundation on rocks'. This
Annex contains four graphs for different types of
rock, whose results depend on the uniaxial
compressive strength (qu in the graph) and the
discontinuity spacing (ds). The following figure
shows one of those graphs.
2.3 Methods of calculation of the ultimate bearing
resistance of spread foundations on rocks
The usual methods to calculate the ultimate
bearing resistance of spread foundations on rock
(qult) mostly depends directly on the uniaxial
compressive strength (σc) of the rock matrix and, in
an indirect way, on the characteristics of the rock
mass, through the Nσ parameter, as it can be seen in
the following expression:
qult = N σ . σ c
(2)
There are many authors in literature that have
given values for Nσ. Couetdic & Barron (1975)
summarized the different failure criteria used by
other several authors. Figure 2 shows the variation of
Nσ with the friction angle, used as basic parameter in
almost all the theories.
Figure 2. Variation of Nσ with the friction angle (Taken from
Couetdic & Barron , 1975)
Figure 1. Presumed bearing resistance for square pad
foundations bearing on rock (for settlements not exceeding 0,5
% of foundation width). (This graph is for rocks of Group 3
formed by very marly limestones, poorly cemented sandstones,
slates and schists steep cleavage/folation).
It should be noted that this way of calculating
partially contradicts the EC-7 calculation philosophy
based on the application of partial factors (on
actions, to resistances and to soil properties) instead
of using a global security factor which it is inherent
to the concept of presumed bearing resistance.
It can be seen that for values of friction angle in
the range between 30 and 40º, Nσ takes values
between 3 and 15.
Once the ultimate bearing resistance (qult) is
obtained, the next step is to determine an allowable
bearing resistance (qa) dividing the ultimate bearing
resistance by a global safety factor (F).
This same type of expressions can also be found
in codes like, for instance, in the Canadian
Foundation Engineering Manual (2007). In this case,
the parameter Nσ has been substituted by an empiric
factor Ksp that depends on the foundation width (B)
and the spacing (c) and aperture (δ) of the
discontinuities.
3+ c/ B
qa = Nσ .σ c = K sp .σ c =
.σ c (3)
10 1 + 300 δ / c
As this expression is only valid for 0,05 < c/B <
2,0 and 0 < δ/c < 0,02, the factor Ksp can take values
from 0,1 to 0,5 as it can be seen in Figure 3. The
factor Ksp includes a global security factor equal to
3.
where pr is a reference pressure to give units to
the expression, usually equivalent to 1 MPa.
The factor fD takes into account the presence of
discontinuities. It will be the minimum value of the
two following expressions, where s is the distance
between discontinuities, B0 is a reference width
equal to 1 m and B* is the equivalent foundation
width:
B .RQD
f D = 2. s * . ≤ 1 ; f D = 0,2. 0 * (%) < 1 (6)
B
B
The factor fA is a reduction factor due to the
weathering degree, whose values are 1,0; 0,7 or 0,5
for weathering degrees I, II or III, respectively, and fδ
is the factor that considers the load inclination,
according to the expression:
fδ = (1,1 − tgδ ) 3 < 1
(7)
The calculation of the allowable bearing
resistance is made dividing the ultimate bearing
resistance by the corresponding security factor,
whose recommended value in this standard for the
characteristic situation is 2,3.
Figure 3. Values of Ksp factor
Another expression that depends directly on σc is
the one provided by D.C. Wyllie (1992), although in
this case the parameter Nσ is based on the HoekBrown failure criterion, through its parameters m
and s; it also depends on a correction factor Cf1 that
considers the foundation shape. This factor Cf1 takes
values from 1 to 1,25.
(
)
qult = Nσ .σ c = C fl . s 0,5 + (ms 0,5 + s )0,5 . σ c
(4)
The allowable bearing pressure (qa) is the result
of affecting the ultimate bearing capacity (qult) by a
global safety factor that will be, for most loading
conditions and according to this author, in the range
of 2 to 3.
This same expression is also used by the
AASHTO manual (2007) that provides a table with
values for m and s depending on the type and quality
of the rock. Taking into account those values, Nσ
varies from 0,002 to 7.
There is another group of expressions in which σc
appears with an exponent different to 1, although
usually equal to 0,5, like in the Spanish Codes for
road (Guía de Cimentaciones de Obras de Carretera)
or ports works (ROM 0.5-05). In these codes, the
ultimate bearing resistance depends on the square
root of the unconfined compressive strength and on
some factors that take into account the type of the
rock, the presence of discontinuities, the weathering
degree of the rock and the inclination of the load
(Perucho & Estaire, 2014). For instance, the
expression used in ROM 0.5-05 is the following one:
q ult = 3. p r .
σc
pr
. f D . f A . fδ .
(5)
2.4 Proposal of a method to design foundations on
rocks compatible with EC-7 framework
The verification of the ultimate limit state of bearing
resistance of a spread foundation shall be made
based on Expression (1). [Ed<Rd]. As said in Section
3.1, the design value of the effect of actions (Ed) and
the design value of the ground resistance (Rd) can be
calculated from their respective characteristic values
affected by their partial factors, as shown in the
following expressions (8).
Ed<Rd =>
Ed=Eck . γE
(8)
Rd=Rck,(Xk/γM) / γR ; Rd=qult,(Xk/γM) / γR
One of the main points of this proposal is that the
characteristic value of the ground resistance (Rck)
can be considered as the value of the ultimate
bearing resistance (qult) that can be derived from any
of the expressions indicated in previous section. To
obtain this ultimate bearing resistance, the design
values of the parameters (Xd) must be used, which
are obtained dividing their characteristics values
(Xk) by the partial material factor (γM).
Once established the main expressions, the next
step is to establish the values for the different partial
factors (γE, γR, γM). To do so, it must be noted that
EC-7 allows making the calculations according
basically to two Design Approaches (DA): DA-2
which is a Resistance Factor Approach (RFA) and
DA-1 and DA-3, which are Material Factor
Approaches (MFA). For both approaches, the partial
factor of effect of actions (γE) shall be taken from
Table 1.
a) Resistance Factor Approach (as DA-2)
In this approach, the partial material factor (γM) is 1,
so the parameter values to be used in the expressions
to determine the ultimate bearing resistance
(collected in Section 2.3) are the characteristic ones.
On the other hand, the determination of the value of
the partial resistance factor can be done using the
following expressions, as can be seen in Frank, R.
(2007), based on the objective to get similar
foundation dimensions when comparing the usual
method and the one proposed in the EC-7
framework.
Table 2. Method to determine the value of the partial factor for
resistances (γR)
Usual method
Proposal EC-7 method
Nσ .σ c
F
= qa
N .σ
= σ c
F
qa =
qact
qact
Ed = Rd
qact .γ E =
qact
Nσ .σ c
γR
N .σ
= σ c
γ E .γR
F =γ E . γ R
γR = F .
γE
where qa is the allowable bearing resistance, qact is
the actual acting load on the foundation and F is the
global safety factor recommended in the calculation
method used.
For instance, if the method established in the
Canadian Code is used, the recommended value for
F is 3, so considering an average value of 1,4 for γE,
as said in Section 2.1, the partial factor γR should
take a value of 2,15.
This value of the partial resistance factor (γR)
should be found in the National Annexes of the
different countries. However, it must be noted that
the values that appears nowadays in those National
Annexes are usually referred to spread foundations
on soils, so they may need to be changed.
b) Material Factor Approach (as DA-3 and DA-1)
In this approach, the partial resistance factor (γR)
takes a value of 1 so the design value of ground
resistance is the characteristic one.
However, the parameter values to be used in the
expressions to determine the ground resistance must
be affected by their corresponding material factor. In
this case, the parameters that appear in those
expressions (as seen in Section 2.3) are the
unconfined compressive strength (σc) and some
others that describe the type of rock and the rock
mass state (as for instance: m, s, RMR or the spacing
and aperture of the discontinuities).
Using the same way of thinking as before, the
determination of the values of the partial material
factors can be done taking into account the following
expressions:
Table 3. Method to determine the value of the partial factor for
materials (γM)
Usual method
Nσ .σ c
F
= qa
N .σ
= σ c
F
qa =
qact
qact
Proposal EC-7 method
Ed = Rd
qact .γ E =
qact =
Nσ .σ c
γ M , Nσ . γ M ,σc
Nσ .σ c
γ E . γ M ( Nσ ) . γ M (σ/ c )
F =γ E . γ M ( Nσ ) . γ M (σ/ c )
γ M ( Nσ ) .γ M (σ/ ) = F γ
c
E
According to the last expression, the simplest
proposal is to consider the partial material factor for
the Nσ parameter must take a value of 1, as it
describes the rock mass state whose reduction is
quite difficult to quantify. For σc, the partial factor
should be equal to F/γE. Again, for instance, if the
method established in the Canadian Code is used,
γM(σc) should take a value of 2,15.
Once arrived at this point, there are two aspects
that must be clarified. The first one is that EC-7, in
its Annex A, proposes a value of the partial factor
for the unconfined compressive strength (σc) equal
to 1,4, whose value can be modified in the National
Annexes. As noticed, this value (1,4) is quite smaller
than the one calculated previously (2,15). To solve
this gap, it can be said that the value proposed by
EC-7 only applies for soils, so the National Annexes
have to define its value for rocks.
The second aspect is that the expression obtained
before only guarantees the same foundation
dimensioning if the exponent of σc is 1. If the
exponent is 0,5, as usual, the maximum acting load
is going to be around 50% higher with the EC-7
dimensioning compared with the one with the usual
methods. One way to solve this problem could be to
relate the value of the partial material factor with a
specific expression to calculate the bearing
resistance, something that can be done in the
National Annexes.
2.5 Settlement calculations. Serviceability limit
state design
The verification of serviceability limit state is
another necessary step in the design of foundations
according to EC-7 framework. This is a complicated
task since EC-7 does not give any indication of how
to tackle the calculation. However, in spread
foundations on rocks, the settlement limit is not
usually an important issue as the rock mass can
usually be considered as a stiff ground in which
settlements are negligible.
3 ROCK SLOPE STABILITY
This chapter discusses the calculation of rock slope
stability according to EC-7 in relation to the usual
method of calculation. Failure in rock slope is
mainly ruled by discontinuities which can provide
the movement of discrete blocks. Two modes of
failure are analyzed: plane sliding and wedge failure.
Equations for wedges resisted by both friction and
cohesion are not included because they are quite
more complicated but similar from a conceptual
point of view.
3.1 Analysis of plane slides
The geometry of the general case considered in the
analysis of plane slides failure is shown in the
following figure.
Figure 4. Geometry for general analysis of plane failure (After
Hoek and Bray, 1981)
If the slide mass behaves like a rigid body, the
security factor can be expressed with the following
equation:
c⋅ A+(W⋅ cos δ −U −V ⋅ sinδ)tanφ
(9)
W⋅ sinδ +V ⋅ cos δ
where c and φ are the cohesion and friction angle
in the sliding surface, δ is the dip of the sliding
surface, A is the length (area per unit width) of the
sliding surface, U is the resultant of the water
pressure along the sliding surface and V is the
resultant of the water pressure along the tension
crack.
F=
3.2 Wedge failure
Figure 5 shows the geometry of the wedge which
will be considered in the following analysis. It is
assumed that sliding of the wedge always takes place
along the line of intersection of planes A and B.
The factor of safety for the wedge defined by
these planes A and B, assuming that sliding is
resisted by friction only and that the friction angle φ
is the same for both planes, is given by:
F=
( RA + RB ) tanφ
W ⋅ sinψ i
(10)
where RA and RB are the normal reactions
provided by planes A and B as illustrated in Figure 6
and ψ is the angle of the line of intersection and the
horizontal plane.
Figure 5. Geometry of wedge used for stability analysis
including the influence of cohesion and of water pressure on
the failure surfaces (After Hoek and Bray, 1981)
Figure 6. Reactions provided by planes A and B (After Hoek
and Bray, 1981)
3.3 Proposal of a method to analyze rock slope
stability problems compatible with EC-7
To tackle this problem, DA-1 and DA-3 are
equivalent and DA-2 has not been chosen by any
European country as the only DA to use in this case
(Estaire, J. et al, 2013), so this section is only
focused on DA-3.
In this approach, the partial resistance factor (γR)
takes a value of 1. For this problem and according to
Clause 2.4.7.3.4.4 - Note 2 of EC-7, “the actions on
the soil (structural or traffic load) are treated as
geotechnical actions” and shall be factored by the
partial factors for actions shown in Table 4.
Table 4.Values of partial factor on the effect of actions (γE) as
proposed in EC-7 for stability problems
Type of actions or effect of actions
Value
Permanente
Transient
Unfavourable
1,00
Favourable
1,00
Unfavourable
1,30
Favourable
0
These values mean that permanent actions, both
favourable and unfavourable, due to rock or water
weight are affected by a partial factor equal to 1.
The determination of the values of the partial
material factors can be done taking into account the
following expressions, based again on Expression
(1). [Ed<Rd].
Table 5. Method to determine the value of the partial factor for
materials (γM) in case of plane slides
Usual method
Proposal EC-7 method
Ed = Rd ; 1 = Rd
c ⋅ A+ (W ⋅ cosδ −U −V ⋅ sinδ) tanφ
F=
W ⋅ sinδ +V ⋅ cosδ
Ed = (W ⋅ sin δ + V ⋅ cos δ ) ⋅ γ E
Rd =
1=
Ed
(c⋅ A+ (W ⋅ cosδ −U −V ⋅ sinδ) tanφ) / F
W ⋅ sinδ +V ⋅ cosδ
c
γM
c
1=
γM
A + (W ⋅ cosδ − U − V ⋅ sin δ ) tan
A + (W ⋅ cos δ − U − V ⋅ sin δ ) tan
(W ⋅ sin δ + V ⋅ cos δ )γ E
φ
γM
φ
γM
γE=1 for favourable actions and for unfavourable permanent
actions
γE=1,3 for unfavourable transient actions
F =γM
Table 6. Method to determine the value of the partial factor for
materials (γM) in case of wedges
Usual method
Proposal EC-7 method
F =
1=
( R A + R B ) ⋅ tan φ
W ⋅ sin ψ i
Ed = Rd ; 1 = Rd
Ed
E d = W ⋅ sinψ i ⋅ γ E
(( R A + R B ) ⋅ tan φ ) / F
W ⋅ sin ψ i
Rd = ( RA + RB ) ⋅ tan
( R A + RB ) ⋅ tan
1=
φ
γM
φ
γM
W ⋅ sinψ i ⋅ γ E
γE=1 for favourable actions and for unfavourable permanent
actions
γE=1,3 for unfavourable transient actions
F =γM
As it is seen in the previous tables, the value of
the partial factor of materials should be taken as the
value of the safety factor used nowadays if a similar
level of safety wants to be achieved. The only little
difference is the factoring of the external loads by
the value 1,3, which it is not usually used.
The value of the partial factor for the geotechnical
parameters has to be included in the National Annex
of every country. For example, the values proposed
in Spanish National Annex for the general case are
equal to 1,4 for persistent situations, 1,25 for
transient situations and 1,10 in accidental ones, for
every geotechnical parameter (cohesion and friction
angle) except in density in which the partial factor is
equal to 1,0 in all the situations mentioned.
4 CONCLUSIONS
The methods proposed to design spread foundations
on rocks and to analyze the stability of rock slopes
according to EC-7 are derived from the usual
methods used nowadays since:
- In spread foundations, resistance partial factor (γR)
and the material partial factor (γM) are related directly with the global safety factor of the usual methods. The values of these partial factors will depend
on the value of the standard considered by usual
methods.
- In slope stability, using the Design Approach 3, as
most European countries do, the value of partial
material factor is equal to the value of the global
safety factor considered in usual methods.
The values of the partial factors, obtained using
the method proposed, shall be specified in the National Annex of each country, specifically for these
cases on rocks.
5 REFERENCES
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American Association of State Highway and Transportation
Officials. Washington D.C.
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Geotechnical Society, Toronto, Ontario.
Couetdic, J. M. & Barron K. (1975). Plate-loading testing as a
method of assesng the in situ strength properties of Western
Canadian coal. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech.
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Duncan, C. Wyllie, (1992). Foundations or rock. E & FN
SPON (An imprint of Chapman & Hall).
Estaire, J., Pardo, F. & Perucho, A. 2014. Bases del Anejo
Nacional Español del Eurocódigo EC-7 (Proyecto
Geotécnico). Hormigón y Acero (in print).
Frank, R., Schuppener, B., Vogt, N. & Weissenbach, A. (2007).
Design approaches of Eurocode 7 for the verification of
ultimate limit states in geotechnical design in France and
Germany. Revue Européenne de Génie Civil, vol. 11, nº 5,
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Guía de Cimentaciones de Obras de Carreteras. 2003.
Ministerio de Fomento.
Hoek, E. & Bray, J. (1981) Rock Slope Engineering. CRC
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Perucho, A. & Estaire, J. (2014). The approach to rock
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Marítimas y Portuarias”, ROM 0.5-05. 2005. Ministerio de
Fomento, Puertos del Estado.
SEMR
JORNADA TÉCNICA 2015
EL EUROCÓDIGO 7 Y OTRAS NORMATIVAS
Los valores característicos de los parámetros
geotécnicos de las rocas
D. Alberto Bernal Riosalido
ByA Estudio de Ingeniería S.L.
Universidad Politécnica de Madrid
LOS VALORES CARACTERÍSTICOS DE LOS PARÁMETROS
GEOTÉCNICOS DE LAS ROCAS EN UNE-EN 1997
Alberto Bernal Riosalido
Ingeniero de Caminos
ByA Estudio de Ingeniería S.L.
1. INTRODUCCIÓN
Son numerosos los Proyectos Geotécnicos donde intervienen macizos rocosos, como
soporte de cimentaciones, como terreno en el que se desarrollan excavaciones, como
material de construcción, etc.
Entre los diferentes métodos de proyecto que contempla UNE-EN 1997 se van a
considerar en este trabajo los que están basados en cálculos, en los cuales es
necesario asignar a la roca unos valores de cálculo de los parámetros geotécnicos. Un
concepto clave en el proceso de asignación de valores de cálculo a los parámetros
geotécnicos es de la obtención de los valores característicos de los mismos.
Precisamente, una de las principales novedades que aporta UNE-EN 1997 es la
definición precisa del valor característico y del valor de cálculo de los parámetros
geotécnicos, así como el establecimiento de los procedimientos con los que deben
calcularse.
2. PARÁMETROS GEOTÉCNICOS DE LAS ROCAS
El comportamiento de las rocas en los proyectos de cimentaciones o taludes puede
clasificarse en varios tipos, en cada uno de los cuales los parámetros geotécnicos
juegan un papel específico.
- Macizos rocosos diaclasados con rotura según las litoclasas, cuyo comportamiento
está controlado por la resistencia de estas. La mayoría de los proyectos de taludes
en roca se regirían por este tipo de comportamiento.
- Macizos rocosos diaclasados sin dirección preferente de rotura, cuyo
comportamiento está controlado principalmente por la imbricación de los diferentes
bloques de roca. En general, los proyectos de cimentaciones en roca se regirían por
este tipo de comportamiento.
- Rocas blandas masivas, cuyo comportamiento está controlado por las propiedades
de la matriz rocosa. En general, cualquier actuación sobre una roca blanda masiva
se regiría por este tipo de comportamiento.
En el primer tipo de comportamiento, los parámetros más influyentes son la geometría
de las litoclasas y su resistencia.
1
En los otros casos, los parámetros geotécnicos, de la matriz rocosa y, en su caso, de
las litoclasas, controlan la seguridad y la funcionalidad de la obra.
Resulta necesario, por lo tanto, conocer los valores de los parámetros más
propiamente geotécnicos, pero también los parámetros geométricos de las litoclasas,
que pueden condicionar el comportamiento del macizo rocoso y que, en ese sentido,
se pueden considerar como un parámetro geotécnico más. En la tabla 1 se presenta
una relación de los parámetros geotécnicos más habituales de las rocas, así como los
procedimientos para su obtención.
Tabla 1. – Reconocimientos y ensayos habituales para la obtención de
parámetros geotécnicos de las rocas
Parámetro a
determinar
Composición
mineralógica y
química
Resistencia a
compresión de la
matriz
Resistencia a
tracción de la matriz
Módulo de
deformación de la
matriz
Geometría y
características de
las juntas
Resistencia de las
juntas
Meteorización
Ensayo de Laboratorio
Reconocimiento de Campo
Estimación visual, lupa
Estimación visual, martillo
Lámina delgada
Difracción de Rayos X
Ensayos químicos
Compresión simple
Triaxial
Carga puntual
-
Brasileño
-
Compresión simple o triaxial con
bandas extensométricas
Descripción geotécnica de
afloramientos.
Testificación de sondeos
-
Correlación con la rugosidad
Corte directo de juntas
Descripción geotécnica de
afloramientos.
Testificación de sondeos
Lámina delgada
Densidad
Densidad
Humedad
Humedad
RQD
Resistencia del
macizo
Deformación del
macizo
Permeabilidad
Testificación de sondeos
Correlación con los Índices de calidad geomecánica
Correlación con los Índices de calidad geomecánica
Ensayos en sondeo o pozo
de bombeo
2
3. VALOR CARACTERÍSTICO DE LOS PARÁMETROS GEOTÉCNICOS
3.1 Criterios generales
El proceso para la obtención del valor característico de los parámetros geotécnicos se
describe en la figura 1. Aunque Queda fuera del alcance de este trabajo, también se
incluye en ella el proceso posterior para obtener el valor de cálculo.
Como en todo Proyecto Geotécnico la información de partida sobre las propiedades de
las rocas consiste en:
- Valores medidos directamente en ensayos [de campo y de laboratorio], o deducidos
de los mismos, mediante interpretaciones basadas en las teorías geotécnicas o
mediante correlaciones empíricas.
F1
F2 .....L1
L2 .....
Obtención directa (D)
o Correlaciones (C)
D1
C1
C2
Unidades geotécnicas
Parámetros medidos y deducidos
PM1
D2
Información
previa
general
y local
PD1 PM2 PD2...
Estimación
prudente
Modélo geotécnico
Valores característicos de los parámetros
Coeficientes
parciales
Valores de cálculo de los parámetros
CAPÍTULOS
4a6
UNE - EN 1997-1
Reconocimientos y ensayos
F = Campo; L= Laboratorio
CAPÍTULO 3
Información previa relevante, como .la información sobre la geología, la
geomorfología e hidrogeología de la zona o la procedente de reconocimientos
geotécnicos previos en la zona, o de información contrastada del comportamiento
de otras obras en el mismo tipo de terreno.
UNE - EN 1997-2
-
Figura 1.- Esquema del proceso de obtención de los valores de cálculo de los
parámetros geotécnicos según UNE-EN 1997
Los valores medidos y/o deducidos de los parámetros geotécnicos suelen estar
distribuidos en un cierto rango alrededor de un valor medio, o (cuando hay
dependencia de otra variable, por ejemplo, la profundidad) de una línea de tendencia
media. Con ese conjunto de valores debe ser definido el que denominamos valor
característico con las siguientes reglas incluidas en UNE-EN 1997-1, cláusula 2.4.5.2
(2)P:
3
-
El valor característico de un parámetro geotécnico (Xk) debe resultar una
estimación prudente del valor que controlará la ocurrencia del estado límite que se
desee comprobar. Debe estar basado en los valores medidos y en los deducidos de
los ensayos de campo y laboratorio, complementados con experiencia contrastada.
-
Si se utilizan procedimientos estadísticos para calcular el valor característico de un
parámetro del terreno, este debe ser representativo del que gobernaría el estado
límite considerado, con una probabilidad o un nivel de confianza del 5% de no tener
un valor peor.
-
Si se obtienen los valores característicos mediante tablas genéricas que los
correlacionan con el tipo de suelo o roca, la estimación debe ser muy prudente.
La propia definición pone de manifiesto varias cuestiones:
- Una estimación prudente puede ser el resultado de la evaluación estadística de los
datos disponibles o de la aplicación de un criterio ingenieril, basado en la
experiencia en casos similares, ya que no siempre se dispone de suficiente número
de datos de suficiente calidad para efectuar una evaluación estadística precisa.
- El valor característico debe estar relacionado con el estado límite que se desea
evaluar. Puede haber diferentes valores característicos de un mismo parámetro que
controle diferentes estados límite. Además, como los valores característicos deben
ser asignados conociendo el estado límite al que se aplicarán, en general, no
pueden ser evaluados como una simple deducción directa a partir de los
reconocimientos del terreno, sino que deben obtenerse coordinadamente con el
Proyecto Geotécnico.
Usualmente el valor característico es un valor “inferior”, menor que el típico o medio,
ya que los valores más bajos de los parámetros conducen a resistencias más
conservadoras, aunque ciertos parámetros (por ejemplo, el peso específico, si el peso
del terreno va a ser una acción desfavorable) pueden tener un valor característico
“superior” mayor que el medio o típico.
Por otro lado, algunos estados límite están controlados por la diferencia entre los
valores de los parámetros más que por los valores absolutos de estos. Este es el caso
de los asientos diferenciales cuyo estado límite quedaría controlado más bien por la
diferencia en la deformabilidad del terreno bajo los distintos apoyos. Para estos casos
es importante determinar tanto el valor característico “inferior” como el “superior”.
El margen de “prudencia” a aplicar depende de varios aspectos, como son:
-
La existencia de información relevante contrastada.
-
La coherencia entre determinaciones de ensayos de diferente tipo.
-
El número de determinaciones disponibles.
-
La variabilidad del terreno y la de los resultados de los ensayos.
-
El volumen de terreno involucrado en la zona que gobierna la ocurrencia del estado
límite en consideración.
4
-
En el proyecto de la cimentación de una estructura, su capacidad para puentear
zonas débiles del terreno, trasmitiendo las cargas a las zonas más resistentes.
En general, cuanto mayor sea la cantidad de reconocimientos y ensayos realizados,
más coherente sean los resultados procedentes de diferentes tipos de ensayos, más
coincidan los nuevos datos con los establecidos y contrastados previamente, menor
podrá ser el margen de “prudencia” aplicado a los datos disponibles para establecer
los valores característicos.
Normalmente, las propiedades del terreno que controlan la aparición de un estado
límite son las medias del volumen involucrado en la figura de rotura en ese estado
límite. (La rotura progresiva en terrenos frágiles con resistencia residual notablemente
menor que la de pico podría requerir una consideración especial). Como
consecuencia, los reconocimientos a utilizar en la evaluación de los valores
característicos deben representar el conjunto del terreno involucrado en el estado
límite correspondiente.
En la figura 2 se muestra un ejemplo de dos estados límite afectando a muy diferente
volumen de terreno en los que se requerirá utilizar diferente criterio para el cálculo del
valor característico de la resistencia al corte de las litoclasas.
Figura 2.- Diferentes estados límite requieren utilizar diferentes valores
característicos de la resistencia al corte de las litoclasas
Se trata de un talud en roca en el que existe una superficie de falla, perfectamente
plana, que constituye la litoclasa 1. Además hay dos familias de litoclasas,
denominadas como familias 2 y 3, cuya geometría puede suponerse constante en todo
el ámbito de interés.
Se pueden producir dos formas de rotura:
5
-
Rotura 1: Deslizamiento de un gran bloque sobre la litoclasa 1.
-
Rotura 2: Deslizamiento de una cuña sobre litoclasas de las familias 2 y 3.
En el primer caso, el valor que gobierna el estado límite es el valor medio de la
resistencia al corte en la litoclasa 1. El valor característico para la resistencia de la
litoclasa 1 es una estimación prudente del valor medio de su resistencia, algo menor
que el valor medio obtenido en los ensayos.
En el segundo caso, la rotura se puede producir sobre la pareja de litoclasas, una de la
familia 2 y otra de la familia 3, que menor resistencia conjunta presente. En este caso
el valor que gobierna el estado límite es el valor medio de la resistencia al corte en la
pareja de litoclasas que la tengan más baja. El valor característico es una estimación
prudente del valor medio que podría ocurrir en la pareja de litoclasas que la tengan
más baja. Si se dispone de suficientes ensayos en todas las litoclasas el valor
característico se puede obtener a partir de la resistencia media en las litoclasas más
desfavorables. Si, como es habitual, no se dispone de un número suficiente de datos
locales para evaluar la resistencia media en las litoclasas más desfavorables, se
deberá utilizar una estimación prudente de los valores más bajos que pueden aparecer
en todas las litoclasas de las familias 2 y 3.
Generalizando el ejemplo anterior, si el volumen involucrado en el estado límite es
grande, su aparición estará controlada por el valor medio de los datos de la unidad
geotécnica. Entonces el valor característico deberá ser una estimación prudente del
valor medio del parámetro en el conjunto de la unidad geotécnica. Hablando en
términos estadísticos, deberá ser igual al valor medio estimado con un elevado nivel
de confianza.
Si el volumen involucrado en el estado límite es pequeño, su aparición estará
controlada por el valor medio de los datos de esa porción de la unidad geotécnica. El
valor característico deberá representar una estimación prudente del valor medio de
esa porción de terreno. Si se dispone de datos específicos de esa zona, el valor
característico se podrá obtener a partir del valor medio en ella, estimado con un
elevado nivel de confianza. Si no se dispone de esos datos, el valor característico
deberá representar los valores menores de los datos de toda la unidad geotécnica, de
forma que haya una baja probabilidad de que pueda darse en la realidad un caso peor
que el utilizado en el cálculo.
En ambos casos el objetivo es el mismo, obtener un valor que controle la aparición del
estado límite con una probabilidad del 5% de que no se produzca en la realidad otro
peor. Sin embargo la diferencia del valor característico obtenido por ambos
procedimientos es significativa. En la figura 3 se explica la diferencia para una
población que tenga una distribución normal de media Xm, desviación estándar SX y
coeficiente de variación VX = SX / Xm. La población se distribuye según la campana de
Gauss indicada en la figura. Si deseamos obtener el valor que tenga una probabilidad
de un 5% de que aparezca un valor peor deberemos elegir el percentil 5, que se aleja
de la media 1,645 veces la desviación estandar:
Xk,P5 = Xm – 1,645 SX
6
La media de una muestra de n datos se distribuye según otra campana de Gauss más
apuntada y con menor ancho. Tiene la misma media que la anterior, pero menor
desviación estandar (SX /n). En este caso, para tener un 5% de probabilidad de que
la media de la muestra sea menor que la media de la población (lo que denominamos
tener un nivel de confianza del 95% de que la media no sea menor que el valor
elegido) deberemos elegir el percentil 5 de la distribución de las medias muestrales,
que se aleja de la media 1,645 /n veces la desviación estándar SX:
Xk,C95 = Xm – (1,645 / n) SX
El resultado es que la estimación de la media con un nivel de confianza del 95%
resulta en valores característicos más altos que la estimación del percentil 5.
0,3
Media muestral n datos
N(xm, S / n)
Población
N(Xm, S)
0
0
Xk,P5
Xk,C9
Xm
20
Figura 3.- Distribución de la población y de la media muestral
3.2 Procedimientos estadísticos para la obtención de los valores
característicos de los parámetros geotécnicos
Cuando se obtiene el valor característico de un parámetro del terreno por
procedimientos estadísticos se pretende que la probabilidad de que un valor peor que
el característico controle el estado límite no sea mayor del 5%.
En los casos en que el estado límite en consideración esté controlado por el valor
medio de un parámetro de una unidad geotécnica determinada, el valor característico
será el valor medio de esa unidad, estimado para un nivel de confianza del 95%.
Por otro lado, en los casos en que el estado límite está controlado por una parte poco
extensa del terreno y no se disponga de suficientes datos locales, el valor
característico será el correspondiente al percentil 5 (o, en su caso, al 95) del conjunto
de los datos de la correspondiente unidad geotécnica.
7
Si la unidad geotécnica se puede considerar homogénea y el parámetro a caracterizar
puede ser tratado como una variable independiente (por ejemplo, no depende de la
profundidad), el valor característico puede obtenerse mediante la expresión:
Xk = Xm (1 - kn VX) = Xm - kn SX
Donde kn representa la distancia entre el valor característico Xk y el valor medio Xm
medida en unidades de la desviación estándar SX. Depende de los siguientes factores:
-
Del conocimiento previo del coeficiente de variación del parámetro en estudio
-
De que se desee estimar el valor medio con un nivel de confianza del 95% o el
valor correspondiente al percentil 5.
-
Del número de datos disponible
En la tabla 2 se resumen los valores del coeficiente kn (según Frank et al, 2005 y Bond
y Harris, 2008) para los casos más habituales, en los que se acepta que el parámetro
geotécnico sigue una distribución normal.
n
Tabla 2. – Coeficiente kn para la estimación del valor característico de un
parámetro geotécnico.
kn, P5, V conocido
kn, P5, V desconocido kn ,C95 V conocido
kn, C95, V desconocido
Número de
datos en la
muestra
3
4
5
6
7
8
9
10
12
15
20
25
30
40

Para estimar el valor
medio con un nivel
de confianza del
95%, sin datos
previos de VX
Para estimar el
valor del
percentil 5, sin
datos previos de
VX
Para estimar el valor
medio con un nivel de
confianza del 95%,
con conocimiento
previo de VX
Para estimar el
valor del
percentil 5, con
conocimiento
previo de VX
1,686
1,177
0,953
0,823
0,734
0,670
0,620
0,580
0,518
0,455
0,387
0,342
0,310
0,266
0,000
3,372
2,631
2,335
2,176
2,077
2,010
1,960
1,923
1,869
1,819
1,772
1,745
1,727
1,706
1,645
0,950
0,822
0,736
0,672
0,622
0,582
0,548
0,520
0,475
0,425
0,368
0,329
0,300
0,260
0,000
1,899
1,839
1,802
1,777
1,758
1,745
1,734
1,725
1,712
1,699
1,686
1,677
1,672
1,665
1,645
En la figura 4 se comparan los valores del coeficiente kn para los diferentes casos. El
aumento del número de datos disponible reduce su valor progresivamente. Cuando el
número de datos es pequeño, menor de aproximadamente 10, el conocimiento de VX
reduce significativamente su valor. Resulta por lo tanto muy importante el
conocimiento previo del coeficiente de variación de los parámetros geotécnicos, sobre
todo cuando se dispone de pocos datos, lo que es frecuente en los estudios
geotécnicos.
8
4.0
3.5
V desconocida
kn,
kn,
kn,
kn,
C95, V desconocida
C95, V conocida
P5, V desconocida
P5, V conocida
3.0
k n = (Xm-Xk)/Sx
2.5
k n para estimación del percentil 5
2.0
1.5
V conocida
1.0
kn para estimación de la media
0.5
0.0
1
10
100
número de muestras
Figura 4.- Comparación entre los coeficientes kn que miden la distancia entre Xm
y Xk en unidades de SX
3.3 Utilización en la práctica de los criterios anteriores
En forma simplificada, se pueden considerar tres escenarios en la forma de obtener
los valores característicos de los parámetros geotécnicos a partir de sus valores
medidos y deducidos. En la figura 5 se muestra un esquema de los mismos.
En el primer escenario se dispone de un número suficiente de datos de buena calidad
de los parámetros de cada una de las unidades geotécnicas involucradas en un
proyecto. (Este es uno de los objetivos de UNE-EN 1997, aunque no siempre se
consigue). En ese caso, los valores característicos podrían obtenerse mediante un
tratamiento estadístico de los valores medidos o deducidos, comprobando en todo
caso la coherencia de estos resultados con la experiencia previa disponible.
En el segundo escenario, frecuente en la práctica, no se dispone más que de un
número reducido de valores medidos o deducidos de los parámetros, en cuyo caso, la
definición del valor característico debe basarse más bien en el criterio ingenieril y en la
experiencia del ingeniero geotécnico. En este caso, la aplicación de procedimientos
estadísticos seguirá siendo útil para conocer el nivel de incertidumbre asociado e
incluso para obtener el valor característico del parámetro. Si se dispone de un
conocimiento previo de su coeficiente de variación, el procedimiento estadístico
permitirá obtener un valor característico relativamente poco separado de la media,
evitando la adopción de un valor excesivamente conservador.
En algunas ocasiones, incluso, al final de la campaña geotécnica no se dispone de
ningún ensayo para algunos de los parámetros a caracterizar. Si la unidad geotécnica
es importante en alguno de los estados límite del proyecto, será necesario retomar la
9
campaña y hacer reconocimientos adicionales. Si la unidad geotécnica no es
importante en el proyecto geotécnico, se podría prescindir de esos reconocimientos
adicionales, lo que constituiría el tercer escenario posible. En este caso se podrían
definir los valores característicos utilizando datos del acervo general de conocimientos
existente en la práctica geotécnica, pero realizando una elección de valores muy
prudente.
Cantidad de valores medidos y deducidos
Experiencia
contrastada
Abundantes
Escasos
Inexistentes
Procedimientos
estadísticos
Nivel de confianza
95%
Criterio
ingenieril
Estimación
prudente
Tablas
generales
Estimación
muy prudente
Valores característicos
Figura 5.- Resumen de los procedimientos de obtención de los valores
característicos de los parámetros geotécnicos
4. LECTURAS RECOMENDADAS
Ang A. H-S., Tang W. H. (2007). Probability Concepts in Engineering. Emphasis on
Applications to Civil and Environmental Engineering. John Wiley and Sons.
Bond A.; Harris A. (2008). Decoding Eurocode 7. Taylor and Francis. Londres.
Frank R., Baudin R., Driscoll R., Kavvadas M., Krebs Ovesen N., Orr T.,
Schupenner B. (2005). Designers Guide to Eurocode 7. Getechnical Design. Thomas
Telford. Londres.
Isobe T., Feigelson D., Akritas G., Babu G.J. (1990). Linear regression in astronomy,
I. The Astrophysical Journal, 364:104-113
ISRM Suggested methods for Characterization, Testing and monitoring. Part I Site
Characterization. Part II Laboratory Test
Schneider H. R. (1997). Definition and determination of characterictic soil properties.
14th Int. Conf. Soil Mech. Found. Eng. Hamburgo. Pp 2271-2274.
10
SEMR
JORNADA TÉCNICA 2015
EL EUROCÓDIGO 7 Y OTRAS NORMATIVAS
Current issues concerning application of Eurocode 7
to rock engineering
Dr. Luís Lamas
Jefe del Área de Modelación y Mecánica de Rocas.
Laboratório Nacional de Ingeniería Civil (LNEC). Lisboa
Secretario General de la ISRM
Current issues concerning
application of Eurocode 7
to rock engineering design
Luís Lamas
EC7 and Geotechnical Engineering
> Introduction of EC7 brought structural safety concepts in geotechnical design.
> Several European countries, with well-established codes for structural design of
buildings and bridges, had no code for geotechnical design before EC7.
> This generated much more discussion regarding applicability of EC7 to geotechnical
structures, and also regarding its application in practice to geotechnical construction
works, than it did with the other Eurocodes.
> Nowadays, application of EC7, though with a number of difficulties, can be
considered at a cruise speed for many types of soil mechanics problems.
Lamas, L. - Current issues concerning application of Eurocode 7 to rock engineering
Jornada Técnica SEMR 2015 − "La Mecánica de Rocas en el Eurocódigo 7 y otras normativas"
2
1
EC7 and Geotechnical Engineering
> The uniformity of the design philosophy now followed by structural and geotechnical
engineers represents a clear progress in situations where interaction of ground and
structure exists.
> Unfortunately, rock engineering problems cannot be considered an example
regarding application and applicability of EC7.
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3
Rock engineering difficulties with EC7
1. Dominance of soil mechanics problems.
• EC7 covers all aspects of geotechnical design in soil and rock masses,
but problems involving soils are clearly dominant in the code.
• One of the reasons lies in the scope of EC7, i.e.:
“the geotechnical design of buildings and civil engineering works”.
• “For the design of special construction works, such as dams,
other provisions than those in the Eurocodes might be necessary”.
2. EC7 has little input from rock mechanics experts.
• EC7 was drafted by experts with a soil engineering background,
with reduced interest for rock engineering aspects.
• Result: incomplete and often incoherent treatment of specific rock engineering issues.
Lamas, L. - Current issues concerning application of Eurocode 7 to rock engineering
Jornada Técnica SEMR 2015 − "La Mecánica de Rocas en el Eurocódigo 7 y otras normativas"
4
2
Rock engineering difficulties with EC7
3. EC7 only covers a small part of rock engineering problems.
• Rock engineering includes a large number of issues not covered by EC7
and not related to civil engineering works.
• Many rock engineers don’t a have a civil engineering background
and have had little interest so far for EC7.
4. Issues resulting from the nature of rock masses.
• Discontinuous nature of the rock masses (joint sets, minor faults, large faults, etc.).
• The role of the discontinuities is often dominant in the rock mass behaviour
and in the definition of the failure mechanisms.
• Empirical design methods are common in rock engineering.
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5
Limit state design in EC7
> Limit states
• States beyond which the structure no longer fulfils the relevant design criteria.
> Basis of the limit state design philosophy
• For each particular design situation,
all the possible limit states for a structure, or part of it, shall be considered.
• It shall be demonstrated that
the likelihood of any limit state being exceeded is sufficiently small.
> Verification of limit states by one or a combination of the following methods
• use of calculations
• adoption of prescriptive measures
• experimental models and load tests
• an observational method
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6
3
Design by experimental models and load tests
> Generally not applicable to rock engineering.
> Load tests for design may be used in cases such as pile load tests on soft rock and
anchorages.
> Physical models of rock masses have been used in a few cases for study of failure.
Base Friction Model
Slip of faulted rock mass
below bridge pier
(He et al., 2012)
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7
Design by experimental models and load tests
> 3D geomechanical model of Alqueva arch
dam foundation under hydrostatic load
• Influence of a large fault on dam’s behaviour
• Comparison with numerical model
• Static loading
Major fault
(Gomes, 2006)
Physical model
Mathematical model
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8
4
Design by experimental models and load tests
> 2D physical model of a gravity dam
foundation under seismic action
• influence rock joints with water pressure
on sliding resistance along the foundation
• comparison with numerical model
• shaking table test
(Gomes, 2006)
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9
Design by prescriptive measures
> Relevant in rock engineering, where often empirical design procedures are used.
> Can be used when calculation models are not available or
where comparable experience makes calculations unnecessary.
> 6.5.2.4 Prescriptive method using presumed bearing resistance
(for bearing resistance ULS design of spread foundations)
• “(1) A commonly recognized prescriptive method based on presumed bearing
resistance should be used.”
• NOTE “The sample method for deriving the presumed bearing resistance for
spread foundations on rock given in Annex G is recommended.
When such a method is applied, the design result should be evaluated
on the basis of comparable experience.”
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10
5
Design by prescriptive measures
> EC7 Annex G method
(for weak and broken rocks)
> Presumed bearing resistance values are:
• given for square pad foundations
bearing on rock;
• based on the assumption that the
structure tolerates settlements equal to
0,5 % of the foundation width;
• given for 4 groups of rocks.
• given as a function of:
qu (MPa): uniaxial compressive strength
ds (mm): discontinuity spacing
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11
Design by prescriptive measures
> Comparison of EC7 Annex G method with other methods (Miranda, 2011)
> Example 1: square pad foundation (2 m); jointed and weakly cemented sandstone
• ds = 0.2 m, qu= 10 MPa, GSI = 20, γ = 22.5 kN/m3 , SF=3
> Example 2: square pad foundation (2 m); jointed weathered granite
• ds = 0.2 m, qu= 20–50 MPa, GSI = 40, γ = 24 kN/m3 , V = 4 MN, SF=3
Presumed bearing
resistance qa (MPa)
• Wyllie (1992)
• Serrano et al. (2000)
• EC7 - Annex G
Example 1
depth = 0 m
depth = 2 m
0.35
1.01
1.70
0.71
1.46
1.70
Example 2
qu = 20 MPa
qu = 50 MPa
4.7
14.7
6.3
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12.7
37.0
12.7
12
6
Design by prescriptive measures
> Can geomechanical classification systems be considered as prescriptive measures?
> Can they be used for
Geotechnical Categories
2 and 3 as a design tool?
> Shall they be used
only for obtaining
parameters for
calculations?
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13
Design by the observational method
> Relevant in rock engineering, namely in tunnelling.
> EC7 requires a probabilistic approach:
•
“Acceptable limits of behaviour shall be established”;
•
“The range of possible behaviour shall be assessed and it shall be shown that there is
an acceptable probability that the actual behaviour will be within the acceptable limits”;
> Is it possible to meet this requirement in a probabilistic way?
> The observational method requires more development in future revisions of EC7 and
guidelines with advice on how to apply the observational method are needed:
• How to show that the design fulfils EC7 requirements for the observational method?
• How to make sure that the completed structure has an appropriate safety margin?
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14
7
Design by calculation
> The most used method of limit state verification in geotechnical engineering.
• To demonstrate that “the likelihood of any limit state being exceeded is sufficiently small”.
• It is often confused with EC7 itself.
> Involves:
• using characteristic values of actions, ground properties and geometrical data;
• using partial factors for obtaining their design values.
> However:
• as an alternative, a design directly based on probabilistic methods may be used;
• in special circumstances design values can be established by direct determination.
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Design by calculation
> Assumes that the actions on a structure and the resistance of a structure:
• are aleatory and can be described by statistical distributions;
• are independent variables, so that probabilistic calculations work.
> Difficulties in rock engineering:
• are these 2 assumptions valid in rock masses?
• which aspects of rock engineering can be considered aleatory?
• what to do with those that cannot?
• how to obtain the characteristic values of ground parameters?
• values of partial factors in EC7 are for soils: they don’t apply to rock masses;
• independence of actions and resistance is questionable when the structural material and
the source of the actions is the ground.
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16
8
Design by calculation
> But the Eurocode leaves some doors open (e.g. 4.2(5))
• “Where insufficient statistical data are available to establish the characteristic values of a
material or product property, nominal values may be taken as the characteristic values,
or design values of the property may be established directly.”
• This possibility covers the difficulties encountered in the generalised use of the statistical
approach.
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Design by calculation
> The ongoing discussion regarding the applicability of EC7 principles—namely of limit
state design and of probabilities—to rock engineering comes several decades after
similar discussions started among soil mechanics engineers, namely among those
involved in drafting and applying the EC7.
> Many arguments are repeated, but many are new, because they have to do with the
discontinuous nature of rock masses and the greater empiricism used in rock design.
> This discussion is stimulating and, once again, questions the very basic principles
used in the Eurocodes, in a field of application with even more difficulties than soil
mechanics. This is healthy, necessary and enriching!
> CEN/SC7/EG13 and the ISRM/EC7 Commission have been fora for these debates.
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9
Characteristic values
> Characteristic value (Eurocode 1.5.4.1)
• “Value of a material or product property having a prescribed probability of not being
attained in a hypothetical unlimited test series.
• This value generally corresponds to a specified fractile of the assumed statistical
distribution of the particular property of the material or product.
• A nominal value is used as the characteristic value in some circumstances.”
> Nominal value
• (general concept, Eurocode 1.5.2.22): “Value fixed on non-statistical bases,
for instance on acquired experience or on physical conditions.”
• (of a material or product property, Eurocode 1.5.4.3): “Value normally used
as a characteristic value and established from an appropriate document
such as a European Standard or Prestandard.”
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Characteristic values of rock parameters
> Material and product properties (Eurocode, 4.2 )
“(1) Properties of materials (including soil and rock) or products should be represented by
characteristic values (see 1.5.4.1).
[…]
(5) Where insufficient statistical data are available to establish the characteristic values
of a material or product property, nominal values may be taken as the characteristic
values […] .”
> Since very often insufficient statistical data are available, the question is:
• How and in what circumstances, shall nominal values be used as characteristic values?
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20
10
Characteristic values of rock parameters
> Characteristic value (EC7 2.4.5.2): “selected as a cautious estimate of the value
affecting the occurrence of the limit state” being analysed.
> It must take into account:
• the geology, the field and test results;
• the spatial variability of the property;
• the extent of the zone of ground governing the behaviour of the geotechnical structure;
• the ability of the geotechnical structure to transfer loads from weak to strong zones.
> The characteristic value depends on the ratio between the extent of the failure
surface and a measure of the spatial variability of the property:
• Large: cautious estimate of the mean value covering a large volume of ground;
• Small: cautious estimate of the extreme value (usually lower value) in the zone of interest.
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21
Characteristic values of rock parameters
> The calculated probability of a worse value governing the occurrence of the limit
state under consideration shall not be greater than 5%.
> This means that the characteristic value is a cautious estimate of the:
• mean value, with a confidence level of 95%, if the extent of the failure surface is large;
• low value, i.e. a 5% fractile, if local failure is concerned.
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22
11
Characteristic values of rock parameters
> If quantitative data on the spatial variability of the property (e.g. scale of fluctuation)
and of the extent of the failure surface can be obtained, less conservative
characteristic values can be selected.
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Characteristic values of rock parameters
> For intact rock
> For rock joints
• Mohr-Coulomb (c and φ)
• Mohr-Coulomb (c and φ),
• unconfined strength (qu) (UCS?)
• Barton (JRC, JCS, φb)
• Hoek-Brown (mi and σci)
> For rock masses:
• Mohr-Coulomb (c and φ)
• unconfined strength (qu)
• Hoek-Brown (mi, σci and GSI)
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12
Characteristic values from triaxial tests
> Statistical analysis of test results on one set of strong, isotropic granite samples
M-C
H-B
(Muralha & Lamas, 2014 & 2015)
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Characteristic values from triaxial tests
tan β and σci considered
separately
mean
mean 95% conf. int.
5% fractile
•
tan β - slope of the
failure envelope in the
σI - σIII space
•
95% confidence
interval and 5% fractile
for (tan β, σci)
M-C
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13
Characteristic values from triaxial tests
M-C
Normalised c - tan φ diagram
H-B
Normalised σci - mi diagram
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Characteristic values from triaxial tests
Results of 7 data sets of tests in granites,
using the Mohr-Coulomb criterion:
> mean values,
> 95% joint confidence regions, and
> characteristic values:
•
as a 95% confidence limit for the mean
•
as a 5% fractile
> The joint probability of the parameters should be taken into account, because they
are not independent.
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14
Partial factors for rock parameters
> “Design values (Xd) shall either be derived from characteristic values (Xk), using
partial factors (γM): Xd = Xk / γM , or they shall be assessed directly.”
> For intact rock
> For rock joints
• Mohr-Coulomb (c and φ)
• Mohr-Coulomb (c and φ),
• unconfined strength (qu) (UCS?)
• Barton (JRC, JCS, φb)
• Hoek-Brown (mi and σci)
> For rock masses:
• Mohr-Coulomb (c and φ)
• unconfined strength (qu)
• Hoek-Brown (mi, σci and GSI)
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Partial factors for rock parameters
> Values of partial factors given in EC7 for c, tan φ and qu are for soils.
• They don’t apply to intact rock, rock joints and rock masses.
> It is urgent to carry out research to try to calibrate partial factors for rock engineering.
• Using the principles of Eurocode, Annex C.
• For known design problems.
• By comparing with probabilistic methods (level III Monte Carlo, level II FORM).
• By comparing with deterministic methods (global FOS, empirical methods).
> Partial factors for c, tan φ and qu are a priority.
• They are for similar properties used for soils and already included in EC7.
• Intact rock, rock joints and rock masses shall be considered.
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15
Partial factors for rock parameters
> The GSI method for obtaining H-B parameters could then be used, but they should
be converted to M-C parameters for application of partial factors and calculation.
> Calibration of partial factors for H-B parameters is not urgent. It should be left for a
later stage, after partial factors values for M-C parameters are consolidated.
> Calibration of partial factors for Barton parameters, such as JRC, may not be
possible, due to the different nature of this parameter.
> Since very often insufficient statistical data are available, the question is:
• How shall design values be established directly, havin mind that
“the values of the partial factors recommended in Annex A should be used as a guide to
the required level of safety”?
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Numerical methods and failure mechanisms
> Common for SLS verifications, with unfactored actions and resistances, using
different types of constitutive models.
> ULS verification usually assumes rigid-plastic behaviour and a known failure
mechanism.
> Critical failure mechanism can be obtained with the strength reduction procedure (by
progressively increasing their partial factors), with unfactored actions.
> Determination of the critical failure mechanism for a particular ULS must consider the
discontinuous nature of rock masses. Discontinuities are potential failure surfaces,
which influence the geometry of the critical mechanism, and cannot be disregarded.
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16
Numerical methods and failure mechanisms
>
Typical rock mass
in a slope with
several
discontinuity sets
(Lamas, Perucho &
Alejano, 2014)
Possible failure mechanisms depending
on the dip of the set of weakness planes
(Serrano & Olalla, 1998)
Possible failure mechanisms for wind turbine foundation
in blocky rock mass (Ferrero, Sofianos & Alejano, 2014)
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Dam foundations: probabilistic analyses and EC7
> French “Guidelines for the justification of the stability of gravity dams” (CFBR, 2012)
• “Use the format of the semi-probabilistic methods at limit states, like the Eurocodes,
which constitute a standard reference model that is well adapted for the harmonization
of practices.”
• “This has the advantage of being used in many civil engineering regulations”.
• Limit states concerning the foundation: crack extension, shear strength, compression
strength, bearing capacity, uplift, erosion of the foundation.
• Values of the partial factors are given for the
strength parameters of the rock-foundation interface.
DAM
MODEL
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Dam foundations: probabilistic analyses and EC7
> Reliability analysis of gravity dams: uncertainty quantification of uplift water
pressures along the dam-foundation interface (Pereira, Batista & Neves)
• data from piezometers collected from 16 existing portuguese concrete dams
• actual values of λ (pressure reduction at drainage line) grouped per rock type
• current design practice is λ = 1/2 to 2/3.
• allows a probabilistic assessment of the dam’s safety
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Dam foundations: probabilistic analyses and EC7
> LSD for foundations of concrete gravity dams (Farinha et al. 2014)
• ULS verification for sliding safety using partial factors given in EC7
• 2 design situations: drainage system is operational (persistent) or clogged (accidental)
• Influence of spatial variability and extent of failure surface on characteristic values
• Numerical model and strength reduction procedure
• Identification of the critical failure mechanism with the numerical model (α = 11º)
• Dam crest horizontal displacement used as failure control parameter
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18
Dam foundations: probabilistic analyses and EC7
> Probabilistic analyses of arch dams failure through discontinuous foundations
(Espada, Lemos & Muralha)
• Size (or persistence) of the discontinuities
• Frequency and orientation of sets of discontinuities
• Mechanical properties of the discontinuities
• Water pressure
> Numerical modelling of the failure
mechanisms
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Conclusions
> What can EC7 do for rock engineers?
• Improve, in the revision that is now starting, the specific rock engineering issues
throughout the whole code
• Consider the difficulties identified regarding applicability to rock engineering problems
• Remove the bias towards soil mechanics
• Broaden to field of application to underground structures in rock
• Give further consideration to empirical design methods and classification systems
• Give further consideration to the observational method, namely to application of the
probabilistic approach required in EC7
• Define the necessary rules and values to enable design of rock mass structures by
calculation
• …
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19
Conclusions
> What can rock engineers do for EC7?
• Researchers and practitioners must interact and provide the scientific and technical
background for revision of EC7
• Apply EC7 principles to known design problems and to existing construction works,
and compare with alternative principles (traditional or more complex)
• Report difficulties encountered, as well as advantages
• Investigate the probabilistic description of the most common rock mechanics properties
• Calibrate partial factors for the most common rock mechanics properties
• Further develop methodologies for using numerical methods in ULS verification
• Investigate the practical/feasible application of probabilistic analyses to common/simple
structures and to large/complex structures
• …
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20
SEMR
JORNADA TÉCNICA 2015
EL EUROCÓDIGO 7 Y OTRAS NORMATIVAS
Eurocode 7 and rock engineering: problems and opportunities
Professor John Harrison
Keck Chair of Engineering Rock
Mechanics. Toronto University.
Presidente del grupo de trabajo del
EC-7 relativo a la Mecánica de
Rocas
Eurocode 7 and rock engineering: current problems and future
opportunities
J.P. Harrison
University of Toronto, Canada
ABSTRACT: In 2010, Eurocode 7 (EC7) became the Reference Design Code for geotechnical design within
the European Union. At the same time, EC7 entered into its first maintenance cycle, the aim of which is to
identify and implement essential technical and editorial improvements to the Code. In this paper, following a
brief explanation of both the history of EC7 and the principles of limit state design within the Eurocode suite,
two major themes are explored. The first of these is the concept of ‘permissible statistics’, and the ramifications this may have for the development of rock mechanics in the context of LSD. The second is a review of
how EC7 is currently deficient with regard to rock engineering design, and what steps are required to correct
these deficiencies in the next version of EC7. Although there are many current problems with EC7, as the importance of the code for rock engineering design continues to grow, these problems have the potential to become significant future opportunities.
1 INTRODUCTION
Eurocode 7 (CEN, 2004), referred to here as EC7,
became the Reference Design Code for geotechnical
design within the European Union in 2010. At the
same time as EC7 was introduced, CEN (Comité Européen de Normalisation / European Committee for
Standardisation) initiated a maintenance cycle,
aimed at – among other things – identifying and implementing essential technical and editorial improvements to the Code.
In early 2011, the CEN Technical Committee responsible for Eurocode 7 convened a number of
small pan-European groups of experts to examine
what maintenance would improve EC7. One group,
of which the Author was convenor, was given responsibility for rock mechanics, and its activities
since then have helped identify the current problems
and potential future opportunities arising from the
application of EC7 to rock engineering design and
construction. In this paper, following a summary of
the development of EC7 and fundamental concepts
relating to limit state design (LSD), some of these
problems and opportunities are outlined.
As a note of explanation, readers should be aware
that the following definitions are used in this paper:
Rock mechanics is the fundamental understanding of the behaviour of intact rock and fractured rock
masses when subjected to applied forces; and
Rock engineering is the application of rock mechanics principles to the design and construction of
structures on and in rock.
2 HISTORICAL DEVELOPMENT OF EC7
Development of EC7 began in 1975 (Table 1). In
1980 an agreement was made between the Commission of the European Communities (CEC) and the
International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE), whereby ISSMFE
would survey existing codes of practice for foundations within the member states and thereby draft a
model code that could be adopted as Eurocode 7
(Simpson and Driscoll, 1998). The ISSMFE established an ad hoc committee for this task in 1981, and
following much international consultation the committee produced a ‘draft model for Eurocode 7’ in
1987. Further CEC-sponsored development of this
draft took place from 1987 to 1990, leading to the
work being transferred to CEN, and in particular
Technical Committee CEN/TC250 – the Committee
responsible for the development of all structural Eu-
Table 1: History of Eurocodes
(http://eurocodes.jrc.ec.europa.eu)
Year
1957
1971
1975
1980
1984
1989
1990
1992
1998
2003
2004
2006
2010
Event
Treaty of Rome
Public Procurements Directive 1971/305 issued
Eurocode development started
International Inquiry with regard to construction codes
performed
First Eurocodes published
Construction Products Directive 1989/106 issued
Work on draft standards (ENVs) started
Publication of ENV Eurocodes commenced
Conversion of ENVs to ENs initiated
EC recommendation on implementation and use of Eurocodes
Directive on Public Works contracts, Public Supply
contracts and Public Service contracts issued
Publication of ENs completed
Full EN implementation; conflicting National Standards withdrawn
Table 2: Sub-committees of CEN/TC250 and their respective
Eurocodes
Sub-committee Eurocode Title
SC1
EN1991 Actions on structures
SC2
EN1992 Design of concrete structures
SC3
EN1993 Design of steel structures
SC4
EN1994 Design of composite steel and
concrete structures
SC5
EN1995 Design of timber structures
SC6
EN1996 Design of masonry structures
SC7
EN1997 Geotechnical design
SC8
EN1998 Design of structures for
earthquake resistance
SC9
EN1999 Design of aluminium
structures
rocodes – for eventual publication as the formal Eurocode 7.
This brief history shows that EC7 has its roots
firmly in European design codes associated with
foundations on and in soils. Furthermore, it seems
that code development took place without any formal input from organisations such as the International Society for Rock Mechanics (ISRM) or the International Association for Engineering Geology and
the Environment (IAEG). Many designers report,
and even a cursory glance at the code will confirm,
that EC7 is weak with regard to rock mechanics
theory and rock engineering practice, and this history
offers an explanation why this may be so.
2.1 Continuing development
The work of CEN/TC250 continues through a number of sub-committees (Table 2). The membership of
CEN/TC250 and its sub-committees comprises delegates of the 29 CEN National Members, together
with delegates from the 5 Affiliates (i.e. countries
likely to become members of the EU or EFTA) participating as observers. There are nine specialist
sub-committees within CEN/TC250, each of which
is responsible for a particular Eurocode (Table 2).
Thus, although CEN/TC250/SC7 is responsible for
Eurocode 7, it works with the other sub-committees
to ensure coherence of the structural Eurocodes.
A critical responsibility of TC250 is the maintenance of the Structural Eurocodes. This activity is
essential to preserve the credibility, integrity and relevance of the Eurocodes, as well as to ensure they
are free from errors. The CEN protocol for code
maintenance means that CEN/TC250 is now involved in the first of continuing five-year medium-term maintenance cycles, the output of which
will include technical and editorial improvements
and the resolution of questions of interpretation. For
EC7, it is expected that a new edition of the Code
incorporating these improvements will be published
in 2019.
As the structure of CEN/TC250 shows, maintenance and future development of EC7 to improve its
applicability to rock engineering must be made in the
wider context of the Eurocode suite. This is an important and major constraint, and one that in the context of rock engineering leads to particular difficulties with regard to the central tenet of the codes:
namely, the use of limit state design, LSD.
3 STRUCTURAL EUROCODES AND LIMIT
STATE DESIGN
EC7, like all codes within the Eurocode suite, commits designers to LSD. To many geotechnical engineers the notion of LSD is somewhat unclear: they
probably know that structural engineers use LSD,
and may have heard about ‘partial factors’, but as to
what LSD actually is, they may be uncertain. It is, in
fact, a rigorous design philosophy that allows uncertainty in loads and material properties to be handled
in a rational way.
LSD developed out of the early 20th century
recognition that traditional concepts such as ‘safe
working load’ were inapplicable to the new structures, such as aircraft, being developed at that time.
Aircraft designers before and during World War II
gathered a great deal of data on both the accelerations aircraft were subjected to during use, and the
ratio of major accidents to flying hours. This led to
the development of the concept of ‘structural reliability’, encompassed in the suggestion (Tye, 1944)
that, rather than using factors of safety, designers
should
“…produce evidence that the probable rate of
accidents likely to cause injury to personnel
shaded region
represents
probability of R < E
limit state
satisfied, R > E
=
lim
it s
ta
te
,R
Consequence of attaining the
ultimate limit state
High consequence for loss of
human life, or economic, social
or environmental consequences
very great
E
effect of actions, E
density distribution
of effect of actions, E
Table 3: Suggested values of reliability index (after
CEN, 2002).
limit state
not satisified, R < E
density contours of
joint distribution
of R and E
Minimum values of
β and associated Pf
in terms of reference
period
1 year
50 year
5.2,
1×10
4.3,
-7
Medium consequence for loss
4.7,
of human life, economic, social
or environmental consequences 1.5×10-6
considerable
resistance, R
density distribution of
resistance, R
Low consequence for loss of
human life, and economic,
social or environmental
consequences small or
negligible
1×10-5
3.8,
7×10-5
4.2,
3.3,
1.5×10-5
5×10-4
Figure 1. Definition of the limit state
arising from structural failure is not more than
once in ‘x’ thousands of hours of flying.”
This statement represented a radical change from
customary design practice. Importantly, adoption of
the structural reliability concept required:
a) development of clear definitions of failure;
b) establishment of acceptable failure rates; and
c) collection of substantial data relating to loading,
material properties and structural behaviour;
(Tye, 1944).
In parallel, by the late 1940s structural engineers
were questioning the glaring disparity between the
use of increasingly sophisticated analytical methods
and the somewhat arbitrary selection of safety factors, and began to suggest the use of statistical methods to characterise variability in both structural
strength and applied loads (e.g. Freudenthal, 1947).
Further refinement of this led to the recognition that
structural strength (termed ‘resistance’, R, in the Eurocodes) and applied loads (generalised to ‘effect of
actions’, E, in the Eurocodes) could be linked as
shown in Figure 1. Limit states are represented by
conditions of the effect of actions equalling or exceeding the resistance.
Introducing random variability to R and E leads to
structural safety being defined as the probability of
the limit state being attained. As a result, ‘factor of
safety’ is not used, but is replaced by a reliability index, β, that represents probability of failure Pf.
These are linked through the relation Pf = Φ (− β) ,
where Φ is the cumulative distribution function of
the standard normal distribution.
Values of Pf can be assigned much more objectively than can a factor of safety: for example, socie-
ty may accept a greater probability of failure for rock
slopes in remote mountainous regions than alongside
heavily trafficked major road and rail links. Table 3
reproduces some target values of reliability index
suggested in EN 1990, and shows how these values
reflect both the consequence of attaining the ultimate
limit state and the design life (i.e. reference period).
Figure 1 shows that the probability of the limit
state being attained is given by the volume beneath
the joint distribution of R and E, for the conditions
R < E. The design problem is to produce a structure
for which this probability is not greater than the appropriate limiting probability.
Currently, three approaches are recognised for
calculating the volume under the R-E distribution
(Baecher & Christian, 2003):
a) analytical integration when R and E have simple
distributions (e.g. uniform or normal);
b) approximations that give the probability of failure
in terms of multiples of the standard deviations of
R and E; and
c) application of statistical techniques such as Monte Carlo simulation.
For both (a) and (b) it is necessary to separate resistances from the effect of actions, and to generate
functions for R and E that are sufficiently mathematically simple to allow subsequent analysis. In terms
of probability, this separation allows Figure 1 to be
re-cast as Figure 2. This figure shows how variability is replaced with a single design value, the magnitude of which is a combination of a representative –
or characteristic – value and a partial factor. The
characteristic value depends on the variability of the
property in question, and the partial factor is calcu-
Design effect
of actions, Ed
Probability density
Distribution
defining
effect of
actions
Ed = gF Frep
gF = partial factor
for actions
XK = representative
action
Design resistance,
Rd
Probability density
Magnitude of effect of actions and resistance
Rd = XK/gM
gM = partial factor
for resistance
XK = characteristic
resistance
Distribution
defining
resistance
It is imperative to note that partial factors result
from the calibration of analyses involving particular
distributions of R and E. Calculation of partial factors is reasonably straightforward for structures of
well-defined geometry, constructed from materials
whose properties are tightly controlled. This situation applies to many structural engineering components, leading to the routine use of partial factors in
that field.
The philosophy of LSD brings many advantages
to the design process (Baecher & Christian, 2003),
which is why it is adopted in modern structural design codes such as the Eurocode suite. LSD replaces
arbitrary factors of safety (or, ‘factors of habit’ as
Tye memorably called them (Tye, 1944)) with an objective probability of failure, and does so by employing rigorous procedures. However, the application of
LSD to rock engineering is proving to be a challenge, as will be seen in Sections 4 and 5.
Design resistance,
Rd
Distribution
defining
effect of
actions
Design effect
of actions, Ed
Probability density
Magnitude of effect of actions and resistance
4 LSD AND THE CONCEPT OF
‘PERMISSIBLE STATISTICS’
Distribution
defining
resistance
Potential
for failure
Magnitude of effect of actions and resistance
Figure 2. Use of partial factors to characterise variability.
Deterministic methods
Probabilistic methods
Historical methods
Empirical methods
FORM
(Level II)
Full probabilistic
(Level III)
Calibration
Calibration
Calibration
Semi-probabilistic
(Level I)
Method a
The fundamental basis of LSD is an objective assessment of the probability of occurrence of a limit
state. For LSD to be applied to rock engineering, it is
critical that all rock mechanics properties support
this objective assessment. A suitable means of exploring this is through the concept of ‘permissible
statistics’ (Stevens, 1946). Table 4 summarises Stevens’ proposals regarding data types and permissible
statistics, and gives examples of these data types
Method c
Partial factor
design
Method b
Figure 3. EN 1990 approaches to partial factor design (after
CEN, 2002).
lated to give a specified probability of occurrence of
the relevant limit state.
Partial factors can be developed using one of
three approaches (Figure 3). To date, most Eurocodes are based on method a, with EN 1990 noting
that method b is seldom applied due to a lack of statistical data, and that method c is being used for development of future code versions.
Table 4: Permissible statistics (after Stevens, 1946).
Data type, description and example
Nominal
Ordinal
Interval
Numerals,
Numerals
Quantitative
letters or other used
to
signify
scale with
symbols used rank ordering arbitrary
zero
as labels
closure of
e.g. Jn in the e.g.
e.g. Rock
a
fracture
Q rock mass
mass classes classification
from an
A, B and C
arbitrary
system
datum
QUALITATIVE
AS SESSMENTS
Ratio
Quantitative
scale with
meaningful
zero
e.g. intact
rock tensile
strength
QUAN TITATIVE
MEASU REMEN TS
Permissible statistics
number of cases, mode
median, percentiles
mean, standard deviation
coefficient
of variation
from the fields of rock mechanics and rock engineering.
Applying Table 4 to the data used in rock mechanics and rock engineering indicates that nominal
and ordinal data are frequently encountered. Such
subjective data are used in rock mass characterisation (e.g. terms such as ‘highly fractured’), and are
found in all rock mass classification schemes (notably, GSI uses sketches of rock mass condition as labels). Additionally, subjective assessments that generate what appear to be ratio data are commonplace
in empirical rock engineering design approaches. For
example, the Mathew’s stability graph method (Suorineni 2010) includes various subjective factors,
which – as Table 4 shows – may be ordinal rather
than ratio.
Stevens’ work has been influential, but also controversial (Velleman & Wilkinson, 1993; Zand
Shollten & Borsboom, 2009). However, there appears to be general agreement that care is required in
selecting the appropriate statistical procedures for
analysis of subjective data (Hands, 1996; Svensson,
2001). Given the extensive used made of nominal
and ordinal data in rock mechanics and rock engineering, this is particularly important: calculation of
statistics such as mean and standard deviation is incorrect for such data.
As LSD requires objective measurements in order
to generate objective assessments of the probability
of a limit state being attained, it is only interval and
ratio data that will permit this. This suggests that
many of the data and procedures commonly used in
rock engineering design are fundamentally incompatible with LSD. Three paths forward are apparent:
rock engineering ignores LSD; the fundamental basis
of LSD is changed to permit use of subjective assessments; or LSD-compliant procedures are developed in rock mechanics and rock engineering. The
first of these is untenable for many reasons, with the
existence of the structural Eurocodes and the benefits brought by LSD being key. The formality of
LSD means the second is unlikely to be possible.
This leaves us with the challenge of the third approach: developing LSD-compliant procedures for
rock mechanics and rock engineering.
5 EC7 AND ROCK ENGINEERING DESIGN
The Eurocodes, through EN 1990, follow customary
LSD protocols. Limit states are those conditions
“beyond which the structure no longer fulfils the relevant design criteria”, and two specific limit states
are defined: serviceability limit states (SLS), i.e.
“conditions beyond which specified service requirements… are no longer met”; and, ultimate limit
states (ULS), defined as being “associated with collapse or with other similar forms of structural failure” (CEN, 2002).
As noted above, LSD requires clear definitions of
failure, establishment of acceptable failure rates, and
collection of substantial data relating to loading, material properties and structural behaviour. Unfortunately, as many engineers involved in rock engineering design will confirm, the complexity of fractured
rock masses means that generally none of these requirements are met. For example, in a rock slope
that may undergo progressive failure, what is the distinction between the SLS and the ULS? A few small
blocks tumbling down a slope may be considered a
serviceability criterion, but as the volume and numbers of blocks increases an ultimate condition will
surely be reached. Similarly, it is nearly always the
case that only small amounts of material property data will be available. As to the notion of acceptable
failure rates, outside of slope instability in the mining sector this has barely been considered.
This brief consideration, together with the concepts presented above in Sections 3 and 4, shows
that applying LSD to rock engineering design will
require significant changes to customary practice. It
should also be no surprise to discover that application of EC7 to rock engineering design is proving
awkward. So, to help identify specific difficulties
that are being encountered by designers, and ascertain what Code improvements may help overcome
them, a workshop on Eurocode 7 and rock engineering was held at Eurock 2014. This workshop was
very productive, both in terms of identifying deficiencies and suggesting means to overcome them.
The major points are outlined below.
5.1 General observations
EC7 displays a number of general shortcomings with
regard to rock engineering, many of which may be
due to the historical development of the code. Three
particular aspects are listed below.
a) More attention needs to be paid to the specific
limit states and failure modes applicable to fractured rock masses (Ferrero et al., 2014; Lamas et
al., 2014).
b) Notably, EC7 does not cover the use of rock mass
classification schemes in rock engineering design
(Lamas et al., 2014). Although there are
well-argued calls for reducing the use of these
techniques (Schubert, 2012), their current widespread use within both calculation and prescrip-
tive approaches (Fig. 4) means that EC7 needs to
clarify their use.
c) The concepts of empiricism, theory, prescriptive
measures and observational methods are currently
separated within EC7, whereas these are often
used in combination in rock engineering design
(Harrison et al., 2014). A key deficiency of EC7
is the lack of recognition of the central and necessary role that empiricism plays in rock engineering design (Fig. 4), and an immediate challenge is
to align EC7 with rock engineering practice.
It is expected that the fundamental rearrangement of
EC7 planned for the forthcoming revision process
will remove these, and similar, deficiencies.
5.2 Inclusion of accepted knowledge
Although currently absent, expertise from within the
rock engineering community with regard to rock
mass characterization, discontinuity characterisation,
rock mechanics laboratory and field tests and scale
effects due to the presence of discontinuities needs
to be included in EC7 (Ferrero et al., 2014; Lamas et
al., 2014). In this vein, geotechnical codes developed
in Spain contain material that should be considered
for inclusion in a future version of EC7, particularly
with respect to guidance on the intensity of ground
investigation in fractured rock masses for different
geotechnical designs, and the use of empirical relations for ultimate bearing capacity of foundations on
fractured rock that incorporate both intact rock
strength and degree of fracturing (Perucho & Estaire,
2014). It is expected that during the forthcoming revision period all such material will be considered for
inclusion in the next edition of EC7.
5.3 Geotechnical categories
The existing definitions of Geotechnical Categories
GROUND PROPERTIES
Mainly index properties
TYPE OF CONSTRUCTION
Tunnels, slopes, foundations
CLASSIFICATION SCHEME
e.g. Q, RMR, GSI, etc
PARAMETERS FOR
CALCULATION
Correlations with strength and
deformability parameters
EMPIRICAL PRESCRIPTIVE
MEASURES
Based on the classification
index, type of construction,
required reliability level
are considered unsuitable (Harrison et al., 2014), but
new definitions explicitly linked to uncertainty of
ground conditions and types of construction have
been proposed (Olsson & Palmström, 2014). An excerpt of these is illustrated in Table 5. Wider discussion of Geotechnical Categories will allow inclusion
of appropriate new definitions in the revised code,
and will more appropriately link with the concept of
structural reliability.
5.4 Use of calculation
A significant part of EC7 is currently devoted to limit state verification by calculation through the use of
partial factors (see Section 3.1 above), and so the absence of partial factors specific to rock mechanics
designs is seen as a particular shortcoming of EC7
(Bedi & Orr, 2014; Estaire & Olivenza, 2014; Harrison et al., 2014; Lamas et al., 2014; Muralha & Lamas, 2014). Furthermore, it is not yet known how to
determine characteristic values for intact rock
strength (Bozorgzadeh & Harrison, 2014; Muralha &
Lamas, 2014). However, as Section 4 above shows,
there is some doubt about the compatibility of current rock engineering approaches and LSD. These
topics urgently need further detailed investigation in
order to provide the material necessary for the revised version of EC7.
5.5 Adoption of prescriptive measures
Although they are widely used in rock engineering,
prescriptive measures are not given extensive treatment within EC7. In its current form, EC7 may lead
to misunderstandings regarding the application of
prescriptive measures (Olsson & Palmström, 2014).
This is an area of the Code that needs substantial
Table 5: Suggestions for Geotechnical Categories (after Olsson
and Palmström, 2014)
Excava- Construction examples
tion risk
Low Medium High
Low
Figure 4: The role of rock mass classification systems within
rock engineering design (from Lamas et al, 2014).
Foundations
Foundations involving
blasting
Medium
Tunnels, small/moderate
rock cuttings
ANALYSIS
DESIGN DETAILING,
CONSTRUCTION
Uncertainty in anticipated
ground conditions
High
Undersea tunnels
Large span caverns
Underground excavations
with low rock cover in susceptible areas
High rock cuttings; suspension bridge anchorages
Excavations with influence
on nearby structures
1
1–2
2
1–2
2
2–3
2
2–3
3
improvement, once again with significant input from
the broad rock engineering community.
5.6 Application of an observational method
Observational methods (OM) see widespread use in
rock engineering, but OM as presented in EC7 needs
further elaboration – possibly through development
and adoption of a formal procedure – in order to be
generally applicable to rock engineering design and
construction (Spross et al., 2014; Stille & Virely,
2014). One suggestion is that OM should formally
be applied to every Geotechnical Category 3 project,
with simplified versions of OM that use visual observations developed for use with Category 1 and 2
projects (Stille & Virely, 2014). Full involvement of
the rock engineering community is needed to settle
this.
6 CONCLUSIONS
Eurocode 7 has been under development since 1975,
but during this time does not seem to have had explicit input from the rock engineering community.
This is now being corrected.
The Code uses the LSD philosophy as originally
developed for structural engineering, with the result
that there are a number of significant incompatibilities between it and customary rock engineering practice. Resolving these poses a challenge to the rock
mechanics and rock engineering community.
EC7 is now undergoing a period of maintenance,
and a diverse range of potential maintenance topics,
together with suggested solutions, have been identified. These include: characterisation of discontinuous rock masses; application of rock mass classification schemes; geotechnical categories; partial factor
calibration; prescriptive measures; and enhancement
of the observational method.
As the importance of Eurocode 7 for rock engineering design will continue to grow, these challenges have the potential to become future opportunities:
not only for vastly improved rock engineering design
and construction techniques, but also for new and
exciting research themes in support of them.
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